Zentrifugo-pneumatisches Schalten von Flüssigkeit Centrifugo-pneumatic switching of liquid
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Vorrichtungen und Verfahren zum zentrifugo- pneumatischen Schalten von Flüssigkeiten von einem Flüssigkeitshaltebereich in nachfolgende Fluidikstrukturen unter Ausnutzung eines Verhältnisses von Zentrifugaldruck zu pneumatischem Druck. The present invention is directed to apparatus and methods for centrifugally-pneumatically switching liquids from a liquid holding area to subsequent fluidic structures utilizing a ratio of centrifugal pressure to pneumatic pressure.
Einleitung introduction
Die zentrifugale Mikrofluidik beschäftigt sich mit der Handhabung von Flüssigkeiten im Picoliter- bis Milliliter-Bereich in rotierenden Systemen. Solche Systeme sind meist Polymer-Einwegkartuschen, die in oder anstelle von Zentrifugenrotoren verwendet werden, mit der Absicht, Laborprozesse zu automatisieren. Dabei können Standardlaborprozesse, wie Pipettieren, Zentrifugieren, Mischen oder Aliquotieren in einer mikrofluidischen Kartusche implementiert werden. Zu diesem Zweck beinhalten die Kartuschen Kanäle für die Fluid- führung, sowie Kammern für das Auffangen von Flüssigkeiten. Allgemein können solche Strukturen, die zur Handhabung von Fluiden ausgelegt sind, als Fluidikstrukturen bezeichnet werden. Allgemein können solche Kartuschen als Fluidikmodule bezeichnet werden. Centrifugal microfluidics deals with the handling of liquids in the picoliter to milliliter range in rotating systems. Such systems are mostly polymer disposable cartridges used in or in place of centrifuge rotors with the intention of automating laboratory processes. Standard laboratory processes such as pipetting, centrifuging, mixing or aliquoting can be implemented in a microfluidic cartridge. For this purpose, the cartridges contain channels for the fluid guidance, as well as chambers for the collection of liquids. Generally, such structures designed to handle fluids may be referred to as fluidic structures. Generally, such cartridges may be referred to as fluidic modules.
Die Kartuschen werden mit einer vordefinierten Abfolge von Drehfrequenzen, dem Frequenzprotokoll, beaufschlagt, so dass die in den Kartuschen befindlichen Flüssigkeiten durch die Zentrifugalkraft bewegt werden können. Anwendung findet die zentrifugale Mikrofluidik hauptsächlich in der Laboranalytik und in der mobilen Diagnostik. Die bislang häufigste Ausführung von Kartuschen ist eine zentrifugal-mikrofluidische Scheibe, die in speziellen Prozessiergeräten eingesetzt wird und unter den Bezeichnungen„Lab-on-a- disk",„LabDisk",„Lab-on-CD", etc. bekannt ist. Andere Formate, wie z.B. mikrofluidische Zentrifugenröhrchen, die unter der Bezeichnung„LabTube" bekannt sind, können in Rotoren bereits bestehender Standardlaborgeräte eingesetzt werden. The cartridges are subjected to a predefined sequence of rotational frequencies, the frequency protocol, so that the fluids in the cartridges can be moved by the centrifugal force. Centrifugal microfluidics is mainly used in laboratory analysis and mobile diagnostics. The most common type of cartridge to date is a centrifugal microfluidic disk used in special processing equipment known as "Lab-on-a-disk", "LabDisk", "Lab-on-CD", etc. Other formats, such as microfluidic centrifuge tubes, known as "LabTube", can be used in rotors of existing standard laboratory equipment.
Für die Verwendung fluidischer Grundoperation in einem möglichen Produkt ist die Robustheit und Einfachheit der Handhabung des Prozesses von höchster Bedeutung. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Grundoperation monolithisch realisiert ist, so dass keine zusätzlichen Komponenten oder Materialien, die durch Materialkosten oder zusätzliche Auf-
bau- und Verbindungstechnik (Assemblierung) die Kosten der Kartusche wesentlich steigern würden, erforderlich sind. For the use of basic fluid operation in a possible product, the robustness and ease of handling the process is of paramount importance. Furthermore, it is advantageous if the basic operation is realized monolithically, so that no additional components or materials, which are due to material costs or additional Construction and connection technology (assembly) would significantly increase the cost of the cartridge are required.
Im Besonderen wird das Schalten von Flüssigkeiten als fundamentale Operation für die Ausführung von Prozessketten benötigt, um nacheinander ablaufende fluidische Prozes- sierungsschritte voneinander zu trennen. Für die Automatisierung von Laborprozessen in einem zentrifugal-mikrofluidischen Rotor sind Schaltprozesse somit unabdingbar. In particular, the switching of liquids is needed as a fundamental operation for the execution of process chains to separate successive fluidic processing steps from each other. Switching processes are therefore indispensable for the automation of laboratory processes in a centrifugal microfluidic rotor.
Ein Beispiel ist das Abmessen von Flüssigkeitsvolumina für die Erzeugung von Aliquots, bei denen nach einem Messschritt die Flüssigkeiten zu nachfolgenden Prozessschritten weitergeschaltet werden. Weitere Beispiele sind Inkubations- und Mischprozesse bei denen die Inkubationszeit oder der Abschluss des Mischprozesses vor dem Weiterschalten erreicht sein muss. An example is the measurement of liquid volumes for the production of aliquots, in which after a measuring step, the liquids are switched to subsequent process steps. Further examples are incubation and mixing processes in which the incubation time or the completion of the mixing process must be achieved before switching on.
Eine wesentliche Herausforderung während der Entwicklung von Kartuschen zur zentrifugalen mikrofluidischen Fluidhandhabung ist die Anpassung der beinhalteten Strukturen an die Eigenschaften der zu prozessierenden Fluide sowie an die Wechselwirkungen der Fluide mit den verwendeten Kartuschenmaterialien. Daraus ergibt sich insbesondere ein Bedarf nach Strukturen und Verfahren zum Schalten von Fluiden, die weitgehend von den Eigenschaften der Fluide und deren Wechselwirkung mit dem Kartuschenmaterial unabhängig sind. Dies umfasst insbesondere folgende Eigenschaften der Fluide und Kartuschenmaterialien: die Oberflächenspannung der Fluide, deren Kontaktwinkel zu den verwendeten Kartuschenmaterialien, die Viskositäten der Fluide und die chemische Zusammensetzung der Fluide. An important challenge during the development of cartridges for centrifugal microfluidic fluid handling is the adaptation of the structures involved to the properties of the fluids to be processed and to the interactions of the fluids with the cartridge materials used. This, in particular, provides a need for structures and methods for switching fluids that are largely independent of the properties of the fluids and their interaction with the cartridge material. This includes in particular the following properties of the fluids and cartridge materials: the surface tension of the fluids, their contact angle with the cartridge materials used, the viscosities of the fluids and the chemical composition of the fluids.
Eine weitere Herausforderung für die Entwicklung von mikrofluidischen Kartuschen liegt in den Fertigungsanforderungen. Strukturen, die hohe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen stellen, führen zu höheren Kosten bei der Fertigung und einem größeren Risiko für den Ausfall der Kartuschen während der Prozessierung. Daraus ergibt sich ein Bedarf nach Strukturen und Verfahren zum Schalten von Fluiden, insbesondere Flüssigkeiten, die hinsichtlich ihrer Funktion gegen fertigungsbedingte Abweichungen robust sind. Weiterhin ergibt sich ein Bedarf nach Strukturen, die durch etablierte Fertigungsverfahren - welche hohe Fertigungspräzisionen erlauben - leicht fertigbar sind. Insbesondere für die Fertigungsverfahren Spritzguss und Spritzprägen ergibt sich ein Bedarf nach Strukturen und Verfahren zum Schalten von Fluiden, die, im Gegensatz z.B. von sogenannten Kapillarventilen, ohne scharfkantige Geometrieübergänge auskommen.
Im Bereich der zentrifugalen Mikrofluidik wirkt ein Prozessierungsprotokoll im Allgemeinen auf alle Fluidikstrukturen einer Kartusche gleichzeitig ein. Durch die zunehmende Integration von nacheinander oder parallel ablaufenden Prozessierungsschritten ergeben sich dadurch im Allgemeinen zunehmend Einschränkungen für die zulässigen Prozessie- rungsprotokolle. Um verschiedene fluidische Operationen dennoch auf einer zentrifugal mikrofluidischen Kartusche integrieren zu können, ergibt sich ein Bedarf nach Strukturen und Verfahren zum Schalten von Fluiden, für die die exakten Bedingungen für das Auftreten des Schaltvorgangs durch geeignete Ausgestaltung in einem weiten Rahmen eingestellt werden können. Another challenge for the development of microfluidic cartridges lies in the manufacturing requirements. Structures that place high demands on manufacturing tolerances result in higher manufacturing costs and greater risk of cartridge failure during processing. This results in a need for structures and methods for switching fluids, in particular liquids, which are robust in terms of their function against production-related deviations. Furthermore, there is a need for structures that are easily manufacturable by established manufacturing processes - which allow high manufacturing precision. In particular, for the production processes of injection molding and injection compression molding, there is a need for structures and methods for switching fluids which, in contrast, for example, of so-called capillary valves, manage without sharp-edged geometry transitions. In the field of centrifugal microfluidics, a processing protocol generally affects all fluidic structures of a cartridge at the same time. As a result of the increasing integration of sequential or parallel processing steps, this generally results in increasing restrictions on the permissible processing protocols. However, in order to be able to integrate various fluidic operations on a centrifugal microfluidic cartridge, there is a need for structures and methods for switching fluids, for which the exact conditions for the occurrence of the switching operation can be adjusted within a wide range by suitable design.
Stand der Technik State of the art
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Arten zum Schalten von Flüssigkeiten auf zentrifugalen mikrofluidischen Plattformen bekannt. Eine Übersicht über aktive und passive, sowie monolithische und nicht monolithische Strukturen und Verfahren zum Schalten von Flüssigkeiten ist bei O. Strohmeier et al.,„Centrifugal microfluidic platforms: Advanced unit Operations and applications", Royal Society of Chemistry 2015, Chem. Soc. Rev., zu finden. Im Folgenden wird weiterer Stand der Technik dargelegt, der sich auf passive monolithische Strukturen und zugehörige Verfahren bezieht, deren Schaltprinzip unter anderem auf einem Wechselspiel zwischen zentrifugal induzierten Drücken und pneumatischen Drücken basiert. The prior art discloses various ways of switching liquids on centrifugal microfluidic platforms. An overview of active and passive, as well as monolithic and non-monolithic liquid-switching structures and methods is provided by O. Strohmeier et al., "Centrifugal Microfluidic Platforms: Advanced Unit Operations and Applications", Royal Society of Chemistry 2015, Chem. Soc. The following presents further prior art relating to passive monolithic structures and related methods whose switching principle is based inter alia on an interplay between centrifugally induced pressures and pneumatic pressures.
S. Zehnle et. al.„Pneumatic siphon valving and switching in centrifugal microfluidics con- trolled by rotational frequency or rotational acceleration", Springer Verlag, Microfluid Na- nofluid (2015) 19, Seiten 1259 - 1269, beschreiben mehrere Strukturen und zugehörige Verfahren zum Schalten von Flüssigkeiten auf einer zentrifugal mikrofluidischen Platform. Dabei wird in einem ersten Unterdruckventil Flüssigkeit zentrifugal aus einer ersten, nicht entlüfteten Kammer getrieben, so dass in der ersten Kammer befindliches Gas expandiert und ein Unterdruck in der ersten Kammer entsteht. Die Flüssigkeit wird durch einen Auslasskanal, der an einem radial äußeren Ende in eine zweite, entlüftete Kammer mündet, in die zweite Kammer getrieben. Da von dem Auslasskanal auch ein Siphon abzweigt, dessen Ende entlüftet ist, wird ein Teil der Flüssigkeit ebenfalls in den Siphon getrieben. Bei konstanter Drehfrequenz stellt sich ein Gleichgewicht der Füllstände ein, so dass der Füllstand in der zweiten Kammer dem Füllstand im Siphon gleicht. Mit steigender Drehfrequenz steigen beide Füllstande. Überschreitet der Füllstand im Siphon den Siphonschei-
tel, so wird die Flüssigkeit aus der ersten und der zweiten Kammer durch den Siphon getrieben und kann in einer dritten, entlüfteten Kammer aufgefangen werden. In einer zweiten Konfiguration des beschrieben Unterdruckventils wird gezeigt, dass bei entsprechender Dimensionierung der Strömungswiderstände zwischen den jeweiligen Kammern der Siphonscheitel durch hohe Drehbeschleunigung erreicht werden kann, nicht aber bei niedriger Drehbeschleunigung. Entsprechende Ventilfunktionen sind auch in der DE 10 2013 215 002 B3 beschrieben. S. Zehnle et. "Pneumatic siphon valving and switching in centrifugal microfluidics controlled by rotational frequency or rotational acceleration", Springer Verlag, Microfluid Nanofluid (2015) 19, pages 1259-1269, describe several structures and associated methods for switching liquids A centrifugal microfluidic platform is used to centrifugally pump liquid from a first, non-vented chamber in a first vacuum valve so that gas in the first chamber expands and creates a negative pressure in the first chamber Since a siphon, whose end is vented, is also branched off from the outlet channel, part of the liquid is also driven into the siphon Fill levels, so that the level in the second Chamber is equal to the level in the siphon. With increasing rotational frequency, both levels increase. If the level in the siphon exceeds the siphon The fluid from the first and second chambers is forced through the siphon and can be collected in a third, vented chamber. In a second configuration of the vacuum valve described is shown that with appropriate dimensioning of the flow resistance between the respective chambers of the siphon apex can be achieved by high spin, but not at low spin. Corresponding valve functions are also described in DE 10 2013 215 002 B3.
In der genannten Schrift von S. Zehnle et.al. ist ferner eine weitere Ventilschaltung beschrieben, bei der Flüssigkeit zentrifugal von einer ersten Kammer durch einen Auslasskanal in eine zweite Kammer und gleichzeitig in einen abzweigenden Siphon getrieben wird. Da bei dieser weiteren Ventilschaltung die erste Kammer entlüftet ist und die zweite Kammer nicht entlüftet ist, wird beim Treiben der Flüssigkeit in die zweite Kammer ein Gasvolumen in der zweiten Kammer eingeschlossen und komprimiert. Dieses Gasvolumen expandiert bei Verringerung der Drehzahl und treibt Flüssigkeit in den Siphon. Bei hoher Verzögerungsrate der Drehzahl und entsprechender Dimensionierung der Strömungswiderstände wird genügend Flüssigkeit in den Siphon getrieben, um diesen komplett zu füllen, so dass die Flüssigkeit aus der ersten und zweiten Kammer durch den Siphon getrieben und in einer dritten Kammer aufgefangen werden kann. Diese Ventilfunktion ist auch in der EP 2 817 519 B1 beschrieben. In the cited paper by S. Zehnle et al. Further, another valve circuit is described in which liquid is driven centrifugally from a first chamber through an outlet channel into a second chamber and at the same time into a branching siphon. Since in this further valve circuit, the first chamber is vented and the second chamber is not vented, a volume of gas is trapped in the second chamber and compressed when driving the liquid into the second chamber. This volume of gas expands as the speed decreases, driving fluid into the siphon. With high rate of deceleration of the speed and corresponding dimensioning of the flow resistances, sufficient liquid is forced into the siphon to completely fill it so that the liquid from the first and second chambers can be forced through the siphon and collected in a third chamber. This valve function is also described in EP 2 817 519 B1.
Aus der DE 10 2013 203 293 B4 ist es ferner bekannt, dass eine solche Ventilschaltung, die oben als weitere Ventilschaltung bezeichnet ist, wahlweise auch mit einem zweiten Siphon versehen werden kann, um die Flüssigkeit, abhängig von der Verzögerungsrate der Drehzahl, durch einen oder durch beide Siphons zu leiten. From DE 10 2013 203 293 B4 it is further known that such a valve circuit, which is referred to above as a further valve circuit, can optionally be provided with a second siphon to the liquid, depending on the deceleration rate of the rotational speed by one or to pass through both siphons.
Allen in der genannten Schrift von S. Zehnle beschriebenen Ventilschaltungen ist gemeinsam, dass das Ende des Siphons, durch den die Flüssigkeit getrieben wird, entlüftet ist. Somit ist auch die dritte Kammer, die lediglich als Auffangkammer dient, entlüftet und nicht mit einem weiteren fluidischen Element gekoppelt. Sie verfügt über die Funktion als Auffangkammer hinaus über keine weiteren fluidischen Funktionen und kann durch keine Art der Dimensionierung die beschriebenen Ventilfunktionen beeinflussen. All of the valve circuits described in the aforementioned document by S. Zehnle have in common that the end of the siphon through which the fluid is driven is vented. Thus, the third chamber, which serves only as a collecting chamber, vented and not coupled to another fluidic element. It has the function as a collecting chamber beyond any other fluidic functions and can not influence the valve functions described by any type of sizing.
Bei D. Mark et.al.,„Aliquoting on the centrifugal microfluidic platform based on centrifugo- pneumatic valves", Springer Verlag, Microfluid Nanofluid (201 1) 10, Seiten 1279 - 1288, wird eine Struktur zum Aliquotieren von Flüssigkeiten beschrieben, bei der Flüssigkeit
durch einen Zuführungskanal sequentiell in eine Reihe von Messkanälen fließt, in denen die Flüssigkeit während eines Aliquotiervorgangs durch sogenannte zentrifugo- pneumatische Ventile gehalten wird. Nach Abschluss des Aliquotiervorgangs werden die zentrifugo-pneumatischen Ventile zwischen den Messkanälen und mit den Messkanälen verbundenen, radial weiter außen liegenden Kammern durch Erhöhen der Rotationsfrequenz geschaltet, und die Flüssigkeiten jeweils in die radial weiter außen liegenden Kammern transferiert. Das Funktionsprinzip der beschriebenen zentrifugo-pneumatischen Ventile besteht aus zwei sich ergänzenden Effekten. Der erste Effekt ist, dass die Flüssigkeit beim Befüllen des jeweiligen Messkanals den Verbindungskanal zwischen Messkanal und nachfolgender nicht belüfteter Zielkammer verschließt und dadurch der zentrifugal induzierte Transfer von Flüssigkeit aus dem Messfinger in die Zielkammer zu einer Kompression des darin vorhandenen Gases führt. Der dadurch entstehende pneumatische Überdruck in der Zielkammer wirkt einem Weiterfließen der Flüssigkeit in die Zielkammer entgegen. Der zweite Effekt ist, dass der Verbindungskanal zwischen Messkanal und Zielkammer an der Öffnung zur Zielkammer ein Kapillarventil darstellt, das der Weiterschaltung der Flüssigkeit in die Zielkammer entgegenwirkt. Die Summe aus beiden Effekten ergibt das Funktionsprinzip des zentrifugo-pneumatischen Ventils. Durch Erhöhung der Rotationsfrequenz lassen sich beide Effekte überwinden, so dass die Flüssigkeit in die Zielkammer transferiert wird. Entsprechende zentrifugo-pneumatische Ventile sind in der DE 10 2008 003 979 B3 sowie bei D. Mark,„Centrifugo-pneumatic valve for metering of highly Wetting liquids on centrifugal microfluidic patforms", Lab Chip, 2009, 9, S. 3599- 3603, beschrieben. D. Mark et al., "Aliquoting on the centrifugal microfluidic platform based on centrifugal-pneumatic valves", Springer Verlag, Microfluid Nanofluid (201 1) 10, pages 1279-1288, describes a structure for aliquoting liquids the liquid through a supply channel sequentially into a series of measuring channels, in which the liquid is held during a Aliquotiervorgangs by so-called Zentrifugo- pneumatic valves. After completion of the Aliquotiervorgangs the Zentrifugo-pneumatic valves between the measuring channels and connected to the measuring channels, radially outermost chambers are switched by increasing the rotational frequency, and transferred the liquids respectively in the radially outer chambers. The principle of operation of the centrifugal-pneumatic valves described consists of two complementary effects. The first effect is that the liquid closes the connecting channel between the measuring channel and subsequent non-ventilated target chamber during filling of the respective measuring channel and thereby causes the centrifugally induced transfer of liquid from the measuring finger into the target chamber to a compression of the gas present therein. The resulting pneumatic overpressure in the target chamber counteracts further flow of the liquid into the target chamber. The second effect is that the connecting channel between the measuring channel and the target chamber at the opening to the target chamber is a capillary valve, which counteracts the advancement of the liquid in the target chamber. The sum of the two effects gives the principle of operation of the centrifugal-pneumatic valve. By increasing the rotation frequency, both effects can be overcome, so that the liquid is transferred into the target chamber. Corresponding centrifugal-pneumatic valves are described in DE 10 2008 003 979 B3 as well as in D. Mark, "Centrifugo-pneumatic valve for metering highly highly-balanced liquids on centrifugal microfluidic patforms", Lab Chip, 2009, 9, p. 3599-3603, described.
Solche zentrifugal-pneumatischen Ventile erlauben nur die Kompression eines durch den Verbindungskanal zwischen Messkanal und Zielstruktur gegebenen geringen Gasvolumens, bevor Flüssigkeit in die Zielkammer gelangt. Dadurch ist die Schaltfrequenz strukturbedingt auf geringe Frequenzen beschränkt. Gleichzeitig besteht eine Abhängigkeit der Schaltfrequenz von den Flüssigkeitseigenschaften, da der Kapillarventileffekt, der für das zentrifugo-pneumatische Ventil eine Rolle spielt, von der Oberflächenspannung und den Kontaktwinkeln zwischen Flüssigkeit und Kartuschenmaterial abhängt. Weiterhin ergibt sich gegebenenfalls aus dem beschriebenen Kapillarventil-Anteil des zentrifugo- pneumatischen Ventils die Anforderung eines scharfkantigen Übergangs des Verbindungskanals zur Zielkammer, was mit Zusatzaufwand für die Fertigung einhergeht. Such centrifugal pneumatic valves only allow the compression of a small gas volume through the connecting channel between the measuring channel and the target structure before liquid enters the target chamber. As a result, the switching frequency is structurally limited to low frequencies. At the same time, there is a dependence of the switching frequency on the liquid properties, since the capillary valve effect, which plays a role for the centrifugal-pneumatic valve, depends on the surface tension and the contact angles between the liquid and the cartridge material. Furthermore, if necessary, the requirement of a sharp-edged transition of the connecting channel to the target chamber arises from the described capillary valve portion of the centrifugal pneumatic valve, which is accompanied by additional expenditure for the production.
F. Schwemmer et.al., „Centrifugo-pneumatic multi-liquid aliquoting - parallel aliquoting and combination of multiple liquids in centrifugal microfluidics", Royal Society of Chemistry
2015, Lab Chip, 2015, 15, Seiten 3250 - 3258, beschreiben Strukturen, die aus einem Zulaufkanal mit hohem fluidischem Widerstand, einer Messkammer, einer über einen Verbindungskanal an die Messkammer angeschlossenen Druckkammer und einem an die Messkammer angeschlossenen Auslasskanal mit geringem fluidischem Widerstand bestehen. Die Strukturen erlauben das Abmessen und nachfolgende Weiterschalten von Flüssigkeitsvolumen. Der Ablauf des Mess- und Schaltvorganges ist dabei wie folgt: Zunächst wird die abzumessende Flüssigkeit bei hoher Rotationsfrequenz durch den Einlasskanal in die Messkammer geleitet, bis diese komplett befüllt ist. Danach befüllt sich der radial innen angeschlossene Verbindungskanal zur Druckkammer und überschüssige Flüssigkeit wird in die Druckkammer geleitet, welche für diese eine Falle darstellt, so dass die Flüssigkeit die Druckkammer nicht mehr verlassen kann. Das vom Zeitpunkt des Eintritts der Flüssigkeit in die Messkammer an verdrängte Gasvolumen in der Messkammer und der Druckkammer führt zu einem pneumatischen Druckanstieg in der Druckkammer. Nach Abschluss der Befüllung der Struktur durch den Einlasskanal wird in einem zweiten Schritt die Flüssigkeit durch Verringerung der Rotationsfrequenz in nachfolgende fluidische Strukturen weitergeschaltet. Dies wird erreicht, da der Zentrifugaldruck im Auslasskanal unter den pneumatischen Überdruck in der Druckkammer fällt und daher die Flüssigkeit vom pneumatischen Überdruck und anderen auftretenden Drücken im Wesentlichen in den Auslasskanal transferiert wird. Durch die gewählten fluidischen Widerstände wird sichergestellt, dass der Transfer im Wesentlichen in den Auslasskanal und nicht zurück in den Einlasskanal stattfindet. Die Strukturen können dabei einen Siphon besitzen, der während eines Messschritts dafür sorgt, dass die Flüssigkeit noch nicht in eine Sammelkammer weitergeschaltet wird. Bei Strukturen, bei denen die Sammelkammer radial weiter innen liegt als die Messkammer, kann der Siphon entfallen. Ein entsprechendes Aliquotieren ist auch in der WO 2015/049112 A1 beschrieben. F. Schwemmer et.al., "Centrifugo-pneumatic multi-liquid aliquoting - parallel aliquoting and combination of multiple liquids in centrifugal microfluidics", Royal Society of Chemistry 2015, Lab Chip, 2015, 15, pages 3250 - 3258, describe structures that consist of a high fluid resistance inlet channel, a measuring chamber, a pressure chamber connected to the measuring chamber via a connecting channel, and a low-fluid resistance outlet channel connected to the measuring chamber , The structures allow the metering and subsequent switching of liquid volumes. The sequence of the measuring and switching process is as follows: First, the liquid to be metered is passed at high rotational frequency through the inlet channel into the measuring chamber until it is completely filled. Thereafter, the radially inwardly connected connecting channel fills to the pressure chamber and excess liquid is fed into the pressure chamber, which represents a trap for them, so that the liquid can not leave the pressure chamber. The from the time of entry of the liquid into the measuring chamber to displaced gas volume in the measuring chamber and the pressure chamber leads to a pneumatic pressure increase in the pressure chamber. After completion of the filling of the structure through the inlet channel, in a second step, the liquid is switched by reducing the rotational frequency in subsequent fluidic structures. This is achieved because the centrifugal pressure in the outlet channel falls below the pneumatic overpressure in the pressure chamber and therefore the liquid is transferred from the pneumatic overpressure and other pressures occurring substantially into the outlet channel. The selected fluidic resistances ensure that the transfer takes place essentially in the outlet channel and not back into the inlet channel. The structures may have a siphon, which ensures during a measuring step that the liquid is not yet switched into a collection chamber. In structures in which the collection chamber is located radially further inward than the measuring chamber, the siphon can be omitted. A corresponding aliquoting is also described in WO 2015/049112 A1.
Aufgrund des Schaltprinzips ist ein solches zentrifugal-pneumatisches Aliquotieren nur für Prozessketten geeignet, bei denen durch Verringerung der Rotationsfrequenz geschaltet werden kann oder soll. Darüber hinaus muss eine minimale Abbremsgeschwindigkeit erreicht werden, um die Flüssigkeit in ein Zielvolumen zu transferieren, wodurch sich Einschränkungen bei den verwendbaren Prozessierungsgeräten ergeben. Falls durch Erhöhung der Rotationsfrequenz geschaltet werden soll, da Prozesse vor dem Schalten bei geringer Rotationsfrequenz ablaufen müssen, kann das zentrifugal-pneumatische Aliquotieren ebenfalls nicht eingesetzt werden. Weiterhin wird für das zentrifugal-pneumatische Aliquotieren zusätzlicher Platz für die Druckkammer benötigt, der gegebenenfalls für die Einbringung von Strukturen für andere Operationen auf der Kartusche verloren geht. Der
Bedarf nach starken Unterschieden in den fluidischen Widerständen zwischen Einlassund Auslasskanälen führt zu zusätzlichen Anforderungen an die Fertigung, da hohe fluidische Widerstände durch geringe Kanalquerschnitte erreicht werden, die dadurch hohe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen stellen. Due to the switching principle, such a centrifugal-pneumatic aliquoting is suitable only for process chains in which can be switched by reducing the rotational frequency or should. In addition, a minimum rate of deceleration must be achieved to transfer the fluid to a target volume, thereby limiting the usable processing equipment. If it is necessary to switch by increasing the rotational frequency, since processes must take place before switching at a low rotational frequency, centrifugal-pneumatic aliquoting can likewise not be used. Furthermore, centrifugal-pneumatic aliquoting requires additional space for the pressure chamber, which may be lost for the introduction of structures for other operations on the cartridge. Of the The need for strong differences in the fluidic resistance between inlet and outlet channels leads to additional requirements for the production, since high fluidic resistances are achieved by small channel cross-sections, which thereby make high demands on the manufacturing tolerances.
Wisam Al-Faqheri et. al., "Development of a Passive Liquid Valve (PLV) Utilizing a Pressure Equilibrium Phenomenon on the Centrifugal Microfluidic Platform", Sensors 2015, 15, Seiten 4658 - 4676, beschreiben ein Schalten von Flüssigkeit abhängig von einem auf eine Flüssigkeit in einer Einlasskammer wirkenden Zentrifugaldruck, einem auf die Flüssigkeit in der Einlasskammer wirkenden Kapillardruck und einem auf eine Flüssigkeit in einer Entlüftungskammer wirkenden Zentrifugaldruck. Zwischen den Flüssigkeiten in der Einlasskammer und der Entlüftungskammer ist Luft eingeschlossen. Durch Erhöhen der Rotationsgeschwindigkeit wird ein in der Einlasskammer erzeugter Unterdruck oder ein in der Entlüftungskammer erzeugter Überdruck überwunden, um dadurch Flüssigkeit aus der Einlasskammer durch einen Fluidkanal in eine Zielkammer zu befördern. Wisam Al-Faqheri et. al., "Development of a Passive Liquid Valve (PLV) Utilizing a Pressure Equilibrium Phenomenon on the Centrifugal Microfluidic Platform," Sensors 2015, 15, pp. 4658-4676, describe switching fluid as a function of fluid acting on a fluid in an inlet chamber Centrifugal pressure, acting on the liquid in the inlet chamber capillary pressure and acting on a liquid in a venting chamber centrifugal pressure. Air is trapped between the fluids in the inlet chamber and the venting chamber. By increasing the rotational speed, a negative pressure generated in the inlet chamber or an overpressure generated in the deaeration chamber is overcome, thereby to convey liquid from the inlet chamber through a fluid channel into a target chamber.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fluidikmodul zum Schalten von Flüssigkeiten, das monolithisch integrierbar und leicht fertigbar, weitgehend flüssigkeits- und materialeigen- schaftsunabhängig und auf einen weiten Bereich von Prozessierungsbedingungen anpassbar ist, sowie Vorrichtungen mit einem solchen Fluidikmodul und Verfahren, die ein solches Fluidikmodul verwenden, zu schaffen. The object of the invention is to provide a fluidic module for switching fluids which can be monolithically integrated and easily manufactured, largely fluid and material properties independent and adaptable to a wide range of processing conditions, as well as devices with such a fluidic module and method comprising such a fluidic module use, create.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren zum Zurückhalten und gezielten Schalten von Flüssigkeiten in zentrifugal-mikrofluidischen Kartuschen. Embodiments of the present invention relate to fluidic modules, devices, and methods for retaining and selectively switching fluids in centrifugal microfluidic cartridges.
Ausführungsbeispiele schaffen ein Fluidikmodul zum Schalten von Flüssigkeit von einem Flüssigkeits-Haltebereich in nachgeschaltete Fluidikstrukturen, mit folgenden Merkmalen: einem Flüssigkeits-Haltebereich, in den eine Flüssigkeit einbringbar ist, mindestens zwei Fluidpfaden, die den Flüssigkeits-Haltebereich mit nachgeschalteten Fluidikstrukturen fluidisch verbinden,
wobei mindestens ein erster Fluidpfad der beiden Fluidpfade einen Siphonkanal aufweist, wobei ein Siphonscheitel des Siphonkanals radial innerhalb einer radial äußersten Position des Flüssigkeits-Haltebereichs liegt, wobei die nachgeschalteten Fluidikstrukturen nicht entlüftet sind oder nur über einen Ent- lüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftet sind, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits- Haltebereich eingebracht ist, so dass in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen ein eingeschlossenes Gasvolumen oder ein lediglich über einen Entlüftungs- Verzögerungswiderstand entlüftetes Gasvolumen entsteht, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht wird, und durch ein Verhältnis eines durch eine Rotation des Fluidikmoduls bewirkten Zentrifugaldrucks und eines in dem Gasvolumen herrschenden pneumatischen Drucks zumindest temporär verhindert wird, dass die Flüssigkeit durch die Fluidpfade in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt, wobei durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck bewirkt werden kann, dass die Flüssigkeit zumindest teilweise durch den ersten Fluidpfad in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt und das Gasvolumen durch den zweiten Fluidpfad der beiden Fluidpfade zumindest teilweise in den Flüssigkeits-Haltebereich entlüftet wird. Exemplary embodiments provide a fluidic module for switching liquid from a liquid holding region into downstream fluidic structures, comprising: a liquid holding region, into which a liquid can be introduced, at least two fluid paths, which fluidly connect the liquid holding region to downstream fluidic structures, wherein at least a first fluid path of the two fluid paths has a siphon channel, wherein a siphon apex of the siphon channel is radially within a radially outermost position of the liquid holding region, wherein the downstream fluidic structures are not vented or vented only via a venting delay resistor when the Liquid is introduced into the liquid holding area, so that in the downstream fluidic an enclosed gas volume or vented only via a vent delay resistance gas volume is formed when the liquid is introduced into the liquid-holding area, and by a ratio of one by a rotation of the Fluidic module caused centrifugal pressure and prevailing in the gas volume pneumatic pressure is at least temporarily prevented that the liquid passes through the fluid paths in the downstream fluidic structures, wherein a change in the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic duck can be caused that the liquid passes at least partially through the first fluid path in the downstream fluidic and the gas volume is at least partially vented through the second fluid path of the two fluid paths in the liquid-holding region.
Ausführungsbeispiele der Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass es auf einer zentrifugal mikrofluidischen Plattform möglich ist, unter Verwendung entsprechender Fluidikstrukturen auf eine Befüllung eines Flüssigkeits-Haltebereichs, die zentrifugal induziert sein kann, hin, einen pneumatischen Differenzdruck zum Umgebungsdruck in nachgeschalteten (nachfolgenden) Fluidikstrukturen, sowie den Verbindungsfluidpfaden zwischen Flüssigkeits-Haltebereich und nachfolgenden Fluidikstrukturen, zu erzeugen, durch welchen die Flüssigkeit unter geeigneten Prozessierungsbedingungen in dem Flüssigkeits- Haltebereich gehalten werden kann, bis durch eine geeignete Veränderung der Prozessierungsbedingungen induziert die Flüssigkeit in die nachfolgenden Fluidikstrukturen weitertransferiert werden kann. Während dieses Flüssigkeitstransfers in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen durch einen der Fluidpfade kann eine Entlüftung der nachgeschalteten Fluidikstrukturen durch den anderen der Fluidpfade stattfinden. Durch entsprechende Prozessierungsbedingungen, beispielsweise Rotationsgeschwindigkeit und/oder Temperatur, kann dabei das Verhältnis zwischen pneumatischem Druck und Zentrifugaldruck eingestellt bzw. verändert werden, um die beschriebenen Funktionalitäten zu erreichen.
Ausführungsbeispiele basieren weiterhin auf der Erkenntnis, dass während eines z.B. zentrifugal induzierten Befüllvorgangs des Flüssigkeits-Haltebereichs Gas durch die Ver- bindungsfluidpfade zwischen dem Flüssigkeits-Haltebereich und den nachgeschalteten Fluidikstrukturen in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen verdrängt werden kann, und dass weiterhin das verdrängte Gasvolumen, lediglich durch das Flüssigkeitsvolumen beschränkt, durch geeignete Ausgestaltung der Verbindungsfluidpfade beliebig gewählt werden kann, wodurch sich die Prozessierungsbedingungen, unter denen die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitshaltebereich gehalten wird, ebenso wie die Prozessierungsbedingungen, unter denen die Flüssigkeit in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen weitergeschaltet wird, in weitem Rahmen und weitgehend unabhängig von Flüssigkeitseigenschaften oder Kartuschenmaterialeigenschaften bestimmen lassen. Embodiments of the invention are based on the recognition that it is possible on a centrifugally microfluidic platform, using appropriate fluidic structures, to fill a liquid holding region that may be centrifugally induced, a pneumatic differential pressure to ambient pressure in downstream (subsequent) fluidic structures. and the connecting fluid paths between liquid holding region and subsequent fluidic structures, by which the liquid can be maintained in the liquid holding region under suitable processing conditions, until, induced by a suitable change in the processing conditions, the liquid can be further transferred into the subsequent fluidic structures. During this liquid transfer into the downstream fluidic structures through one of the fluid paths, a venting of the downstream fluidic structures can take place through the other of the fluid paths. By appropriate processing conditions, such as rotational speed and / or temperature, while the ratio between pneumatic pressure and centrifugal pressure can be adjusted or changed to achieve the described functionalities. Embodiments continue to be based on the finding that during a, for example, centrifugally induced filling operation of the liquid holding region, gas can be displaced into the downstream fluidic structures through the connecting fluid paths between the liquid holding region and the downstream fluidic structures, and further that the displaced gas volume is merely through the liquid volume is limited, can be chosen arbitrarily by suitable design of the connecting fluid paths, whereby the processing conditions under which the liquid is held in the liquid holding region, as well as the processing conditions under which the liquid is switched into the downstream fluidic structures, in a wide range and largely irrespective of liquid properties or cartridge material properties.
Bei Ausführungsbeispielen ist die Flüssigkeit durch einen bei einer Rotation des Fluidik- moduls bewirkten Zentrifugaldruck über einen radial abfallenden Einlasskanal in eine Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs einbringbar. Dadurch kann durch die beim Einbringen der Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich verwendete Rotation das Verhältnis zwischen Zentrifugaldruck und pneumatischem Druck erreicht werden, durch das verhindert wird, dass Flüssigkeit in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt. Bei Ausführungsbeispielen kann der Einlasskanal ferner mit einer vorgeschalteten Fluidkammer verbunden sein. In embodiments, the liquid can be introduced by a centrifugal pressure caused by a rotation of the fluidic module via a radially sloping inlet channel into a fluid chamber of the liquid-holding region. As a result, the rotation used during introduction of the liquid into the liquid holding region can achieve the ratio between centrifugal pressure and pneumatic pressure, which prevents liquid from entering the downstream fluidic structures. In embodiments, the inlet channel may be further connected to an upstream fluid chamber.
Bei Ausführungsbeispielen ist ein zweiter Fluidpfad der beiden Fluidpfade ein Entlüftungskanal für die nachgeschalteten Fluidikstrukturen, der von der Flüssigkeit verschlossen ist, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht ist. Somit ist es möglich, gleichzeitig mit dem Einbringen eines Flüssigkeitsvolumens in den Flüssigkeitshaltebereich einen Entlüftungskanal für die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu verschließen, so dass keine separaten Mittel hierfür erforderlich sind. In embodiments, a second fluid path of the two fluid paths is a vent channel for the downstream fluidic structures, which is closed by the liquid when the liquid is introduced into the liquid holding area. Thus, it is possible to close a venting channel for the downstream fluidic structures simultaneously with the introduction of a liquid volume into the liquid-holding region, so that no separate means are required for this purpose.
Bei Ausführungsbeispielen mündet der erste Fluidpfad in einem radial äußeren Bereich oder an einem radial äußeren Ende in den Flüssigkeits-Haltebereich, so dass der Flüssigkeits-Haltebereich zumindest bis zu dem Bereich, in dem der erste Fluidpfad in den Flüssigkeits-Haltebereich mündet, über den ersten Fluidpfad entleerbar ist. Dadurch ist es möglich, einen großen Teil der Flüssigkeit oder die gesamte Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich zu entleeren.
Bei Ausführungsbeispielen weist der Flüssigkeits-Haltebereich eine erste Fluidkammer auf, wobei der erste Fluidpfad in einem radial äußeren Bereich der ersten Fluidkammer oder an einem radial äußeren Ende der ersten Fluidkammer in die erste Fluidkammer mündet. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann die erste Fluidkammer nicht entlüftet sein oder nur über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftet sein, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht wird (ist), so dass ein in die erste Fluidkammer und die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eingeschlossenes Gasvolumen oder ein lediglich über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftetes Gasvolumen entsteht, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht wird (ist). In embodiments, the first fluid path opens in a radially outer region or at a radially outer end into the liquid-holding region, so that the liquid-holding region at least up to the region in which the first fluid path opens into the liquid-holding region via the first Fluid path is emptied. This makes it possible to empty a large part of the liquid or the entire liquid from the liquid holding area. In embodiments, the liquid holding region has a first fluid chamber, wherein the first fluid path opens into the first fluid chamber in a radially outer region of the first fluid chamber or at a radially outer end of the first fluid chamber. In such embodiments, the first fluid chamber may be deflated or vented only via a venting delay resistor when the fluid is introduced into the fluid retaining region, such that a volume of gas trapped in the first fluid chamber and the downstream fluidic structures is merely vented gas volume created by a venting delay resistor occurs when the liquid is introduced into the liquid holding region.
Bei Ausführungsbeispielen weist der Flüssigkeits-Haltebereich eine erste Fluidkammer und eine zweite Fluidkammer auf, in die durch einen bei einer Rotation des Fluidikmoduls bewirkten Zentrifugaldruck eine Flüssigkeit einbringbar ist, wobei der erste Fluidpfad in die erste Fluidkammer und der zweite Fluidpfad in die zweite Fluidkammer mündet, und wobei der zweite Fluidpfad durch eine in die zweite Fluidkammer eingebrachte Flüssigkeit verschließbar ist. Bei solchen Ausführungsbeispielen können die erste Fluidkammer und die zweite Fluidkammer über einen Verbindungskanal fluidisch miteinander verbunden sein, dessen Mündung in die erste Fluidkammer radial weiter innen liegt als ein radial äußeres Ende der ersten Fluidkammer, so dass Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer in die zweite Fluidkammer überläuft, wenn der Füllstand der Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer die Mündung erreicht, und den in die zweite Fluidkammer mündenden zweiten Fluidpfad verschließt. Solche Ausführungsbeispiele können ermöglichen, dass zunächst Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer gehalten wird und erst durch Zugabe weiterer Flüssigkeit, bei der es sich um eine von der ersten Flüssigkeit verschiedene Flüssigkeit handeln kann, in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen geschaltet wird. In exemplary embodiments, the liquid-holding region has a first fluid chamber and a second fluid chamber into which a liquid can be introduced by a centrifugal pressure caused by rotation of the fluidic module, wherein the first fluid path opens into the first fluid chamber and the second fluid path opens into the second fluid chamber, and wherein the second fluid path is closable by a liquid introduced into the second fluid chamber. In such embodiments, the first fluid chamber and the second fluid chamber may be fluidly interconnected via a connection channel having its mouth radially inward of the first fluid chamber than a radially outer end of the first fluid chamber such that fluid from the first fluid chamber overflows into the second fluid chamber when the level of liquid in the first fluid chamber reaches the mouth, and closes the second fluid path opening into the second fluid chamber. Such embodiments may allow first liquid is held in the first fluid chamber and only in the downstream Fluidikstrukturen is switched by the addition of further liquid, which may be a different liquid from the first liquid.
Bei Ausführungsbeispielen weist der zweite Fluidpfad einen Siphonkanal auf. Dies ermöglicht eine erhöhte Flexibilität hinsichtlich der Mündung des zweiten Fluidpfads in den Flüssigkeits-Haltebereich sowie eine erhöhte Flexibilität bezüglich der Prozessierungsbedin- gungen, da dadurch verhindert werden kann, dass Flüssigkeit über den zweiten Fluidpfad in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt. Beispielsweise kann bei solchen Ausführungsbeispielen der zweite Fluidpfad in einem radial äußeren Bereich des Flüssigkeits- Haltebereichs in den Flüssigkeits-Haltebereich münden. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann ein Scheitelpunkt des Siphonkanals des zweiten Fluidpfads radial weiter innen liegen als ein Scheitelpunkt des Siphonkanals des ersten Fluidpfads.
Bei Ausführungsbeispielen weist der zweite Fluidpfad einen Siphonkanal auf und eine Fluidzwischenkammer ist in dem zweiten Fluidpfad zwischen dem Scheitelpunkt des Siphonkanals des zweiten Fluidpfads und der Mündung des zweiten Fluidpfads in den Flüs- sigkeits-Haltebereich angeordnet, wobei die Fluidzwischenkammer zumindest teilweise mit der Flüssigkeit gefüllt wird, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht wird. Die Fluidzwischenkammer kann ein kleineres Volumen aufweisen als eine erste Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs. Bei Ausführungsbeispielen befindet sich ein radial äußeres Ende der Fluidzwischenkammer radial außerhalb des Siphonscheitels des ersten Fluidpfads. Die erste Fluidzwischenkammer ermöglicht, dass eine größere Menge von Flüssigkeit in den zweiten Fluidpfad gelangt, bevor ihr Meniskus den Scheitelpunkt des Siphonkanals des zweiten Fluidpfads erreicht. In embodiments, the second fluid path has a siphon channel. This allows increased flexibility with regard to the opening of the second fluid path into the liquid holding region and increased flexibility with regard to the processing conditions, as this can prevent liquid from entering the downstream fluidic structures via the second fluid path. For example, in such embodiments, the second fluid path may open into the liquid holding region in a radially outer region of the liquid holding region. In such embodiments, a vertex of the siphon channel of the second fluid path may be located radially further inward than a vertex of the siphon channel of the first fluid path. In embodiments, the second fluid path has a siphon channel and a fluid intermediate chamber is disposed in the second fluid path between the apex of the siphon channel of the second fluid path and the mouth of the second fluid path in the liquid holding area, wherein the intermediate fluid chamber is at least partially filled with the liquid when the liquid is introduced into the liquid holding area. The intermediate fluid chamber may have a smaller volume than a first fluid chamber of the liquid holding portion. In embodiments, a radially outer end of the intermediate fluid chamber is located radially outward of the siphon apex of the first fluid path. The first intermediate fluid chamber allows a greater amount of fluid to enter the second fluid path before its meniscus reaches the apex of the siphon channel of the second fluid path.
Bei Ausführungsbeispielen weisen die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zumindest eine nachgeschaltete Fluidkammer auf, in die der erste Fluidpfad und der zweite Fluidpfad münden. Alternativ können der erste und der zweite Fluidpfad auch in verschiedene Kammern der nachgeschalteten Fluidikstrukturen münden, solange gewährleistet ist, dass während der Fluidhaltephase eine Druckausgleich zwischen den Mündungen des ersten und des zweiten Fluidpfads in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen besteht. Somit ist es möglich die geschaltete Flüssigkeit in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu sammeln. Der erste Fluidpfad kann radial weiter außen in die nachgeschaltete Fluidkammer münden als der zweite Fluidpfad. Dies ermöglicht, dass die Mündung des zweiten Fluidpfads in die nachgeschaltete Fluidkammer für eine Entlüftung frei bleibt, wenn die Flüssigkeit in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt bzw. transferiert wird. Die nachgeschaltete Fluidkammer kann eine erste nachgeschaltete Fluidkammer sein, wobei die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eine zweite nachgeschaltete Fluidkammer aufweisen können, die über zumindest einen dritten Fluidpfad mit der ersten nachgeschalteten Fluidkammer fluidisch verbunden ist. Somit ist es möglich Fluidikstrukturen zu implementieren, die ein kaskadiertes Schalten ermöglichen. In exemplary embodiments, the downstream fluidic structures have at least one downstream fluid chamber into which the first fluid path and the second fluid path open. Alternatively, the first and the second fluid path may also lead into different chambers of the downstream fluidic structures, as long as it is ensured that a pressure equalization between the mouths of the first and the second fluid path into the downstream fluidic structures during the fluid holding phase. Thus, it is possible to collect the switched liquid in the downstream fluidic structures. The first fluid path can open radially further out into the downstream fluid chamber than the second fluid path. This allows the mouth of the second fluid path to remain in the downstream fluid chamber for venting as the fluid passes into the downstream fluidic structures. The downstream fluid chamber may be a first downstream fluid chamber, the downstream fluidic structures may have a second downstream fluid chamber, which is fluidly connected via at least one third fluid path with the first downstream fluid chamber. Thus, it is possible to implement fluidic structures that enable cascaded switching.
Bei Ausführungsbeispielen können die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eine erste nachgeschaltete Fluidkammer und eine zweite nachgeschaltete Fluidkammer aufweisen, wobei die erste nachgeschaltete Fluidkammer über einen dritten Fluidpfad und einen vierten Fluidpfad mit der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer fluidisch verbunden ist, wobei zumindest der dritte Fluidpfad einen Siphonkanal aufweist, wobei der dritte Fluidpfad und der vierte Fluidpfad durch die Flüssigkeit verschlossen werden, wenn die Flüssigkeit durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen
Druck durch den ersten Fluidpfad in die erste nachgeschaltete Fluidkammer der nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt, wodurch in der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer ein eingeschlossenes Gasvolumen oder ein lediglich über einen Entlüftungs- Verzögerungswiderstand entlüftetes Gasvolumen entsteht und durch ein Verhältnis des Zentrifugaldrucks und des in dem Gasvolumen in der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer herrschenden pneumatischen Drucks zumindest temporär verhindert wird, dass die Flüssigkeit durch die Fluidpfade (insbesondere den dritten und vierten Fluidpfad) in die zweite nachgeschaltete Fluidkammer gelangt, und wobei durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck in der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer bewirkt werden kann, dass die Flüssigkeit durch den dritten Fluidpfad in die zweite nachgeschaltete Fluidikkammer gelangt und das Gasvolumen aus der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer durch den vierten Fluidpfad zumindest teilweise in den Flüssigkeits-Haltebereich entlüftet wird. Somit ist es möglich, Fluidikstrukturen zu implementieren, die ein kaskadiertes Schalten ermöglichen. In embodiments, the downstream fluidic structures may include a first downstream fluid chamber and a second downstream fluid chamber, the first downstream fluid chamber being fluidly connected to the second downstream fluid chamber via a third fluid path and a fourth fluid path, wherein at least the third fluid path includes a siphon channel third fluid path and the fourth fluid path are closed by the liquid when the liquid by changing the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic Pressure passes through the first fluid path in the first downstream fluid chamber of the downstream fluidic, whereby in the second downstream fluid chamber an enclosed gas volume or vented only via a vent delay resistance gas volume is formed and by a ratio of the centrifugal pressure and in the gas volume in the second downstream Fluid chamber prevailing pneumatic pressure is at least temporarily prevented that the liquid passes through the fluid paths (in particular the third and fourth fluid path) in the second downstream fluid chamber, and wherein caused by a change in the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic duck in the second downstream fluid chamber can that the liquid passes through the third fluid path in the second downstream fluidic chamber and the gas volume from the second downstream fluid chamber through the fourth fluid path to partially vented into the liquid holding area. Thus, it is possible to implement fluidic structures that enable cascaded switching.
Ausführungsbeispiele schaffen eine Vorrichtung zum Schalten von Flüssigkeit von einem Flüssigkeits-Haltebereich in nachgeschaltete Fluidikstrukturen mit einem Fluidikmodul wie es hierin beschrieben ist, die eine Antriebseinrichtung, die ausgelegt ist, um das Fluidikmodul mit einer Rotation zu beaufschlagen, und einer Betätigungseinrichtung, die ausgelegt ist, um die Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck zu bewirken, aufweist. Bei Ausführungsbeispielen ist die Betätigungseinrichtung ausgelegt, um die Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls zu erhöhen oder zu verringern, um die Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck zu bewirken. Bei Ausführungsbeispielen ist die Betätigungseinrichtung ausgelegt, um den pneumatischen Druck in den nachgeschalteten Fluidikstukturen durch eine Verringerung der Temperatur in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen und/oder durch eine Vergrößerung des Volumens der nachgeschalteten Fluidikstrukturen und/oder eine Verringerung der Gasmenge in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu verringern. Embodiments provide an apparatus for switching fluid from a fluid holding area to downstream fluidic structures having a fluidic module as described herein, driving means configured to impart rotation to the fluidic module, and actuator configured. to effect the change of the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic duck. In embodiments, the actuator is configured to increase or decrease the rotational speed of the fluidic module to effect the change in the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic duck. In embodiments, the actuator is designed to reduce the pneumatic pressure in the downstream fluidic structures by reducing the temperature in the downstream fluidic structures and / or by increasing the volume of the downstream fluidic structures and / or reducing the amount of gas in the downstream fluidic structures.
Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Schalten von Flüssigkeit von einem Flüssigkeits-Haltebereich in nachgeschaltete Fluidikstrukturen unter Verwendung eines Fluidikmoduls wie es hierin beschrieben ist, mit folgenden Merkmalen: Embodiments provide a method of switching fluid from a fluid holding area to downstream fluidic structures using a fluidic module as described herein, having the following features:
Einbringen zumindest einer Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich und Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich durch Rotieren des Fluidikmoduls, so dass die Flüssigkeit in einem durch den Zentrifugaldruck und den pneumatischen Druck domi-
nierten quasi-stationären Gleichgewicht in dem Flüssigkeits-Haltebereich gehalten wird; und Introducing at least one liquid into the liquid-holding region and holding the liquid in the liquid-holding region by rotating the fluidic module, so that the liquid in a by the centrifugal pressure and the pneumatic pressure dominant Neten quasi-stationary equilibrium is maintained in the liquid holding area; and
Ändern des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck, um die Flüssigkeit zumindest teilweise durch den ersten Fluidpfad in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu transferieren und das Gasvolumen durch den zweiten Fluidpfad der beiden Fluidpfade zumindest teilweise in den Flüssigkeits-Haltebereich zu entlüften. Changing the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic duck to at least partially transfer the liquid through the first fluid path into the downstream fluidic structures and to vent the volume of gas at least partially into the fluid holding region through the second fluid path of the two fluid paths.
Bei Ausführungsbeispielen weist das Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits- Haltebereich das Erzeugen eines pneumatischen Überdrucks in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen vor der Initiierung des Transfers auf. Bei Ausführungsbeispielen weist das Ändern des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls, eine Vergrößerung der hydrostatischen Höhe der Flüssigkeit und/oder ein Verringern des pneumatischen Drucks auf. Bei Ausführungsbeispielen weist das Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits- Haltebereich ein Erzeugen eines Unterdrucks in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen auf, um Menisken in dem Flüssigkeits-Haltebereich und dem ersten und zweiten Fluidpfad einzustellen und zu halten, ohne die Flüssigkeit durch den ersten Fluidpfad in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu transferieren, wobei das Ändern des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck eine Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls und/oder ein Verringern des pneumatischen Drucks in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen und/oder ein Erhöhen der hydrostatischen Höhe der Flüssigkeit im Flüssigkeits-Haltebereich aufweist. In embodiments, holding the liquid in the liquid holding region comprises generating a pneumatic overpressure in the downstream fluidic structures prior to the initiation of the transfer. In embodiments, changing the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic duck includes increasing the rotational speed of the fluidic module, increasing the hydrostatic head of the fluid, and / or decreasing the pneumatic pressure. In embodiments, holding the liquid in the liquid holding region includes creating a negative pressure in the downstream fluidic structures to adjust and hold menisci in the liquid holding region and the first and second fluid paths without passing the liquid through the first fluid path into the downstream one Fluidic structures to transfer, wherein changing the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure, a reduction in the rotational speed of the fluidic module and / or reducing the pneumatic pressure in the downstream fluidic structures and / or increasing the hydrostatic height of the liquid in the liquid holding area.
Bei Ausführungsbeispielen weist das Ändern des Verhältnisses ein Verringern des pneumatischen Drucks durch ein Verringern der Temperatur in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen, ein Vergrößern des Volumens der nachgeschalteten Fluidikstrukturen und/oder ein Verringern der Gasmenge in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen auf. In embodiments, changing the ratio includes decreasing the pneumatic pressure by decreasing the temperature in the downstream fluidic structures, increasing the volume of the downstream fluidic structures, and / or reducing the amount of gas in the downstream fluidic structures.
Bei Ausführungsbeispielen wird während des Transferierens der Flüssigkeit durch den ersten Fluidpfad der zweite Fluidpfad nicht vollständig mit Flüssigkeit befüllt. Bei Ausführungsbeispielen wird die Stoffmenge des Gases in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen nicht verändert, während die Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich gehalten wird. In embodiments, during the transfer of the liquid through the first fluid path, the second fluid path is not completely filled with liquid. In embodiments, the molar amount of the gas in the downstream fluidic structures is not changed while the liquid is held in the liquid holding area.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel zum überdruckbasierten Schalten; Embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it: 1 is a schematic representation of fluidic structures according to an embodiment for overpressure-based switching;
Fig. 2A bis 2E schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise des 2A to 2E are schematic diagrams for explaining the operation of the
Ausführungsbeispiels von Fig. 1 ; Embodiment of Fig. 1;
Fig. 3A bis 3D schematische Darstellungen von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eine Flüssigkeitsaufnahmekammer und eine weitere Kammer aufweisen; 3A to 3D are schematic representations of fluidic structures according to an embodiment in which the downstream fluidic structures have a fluid receiving chamber and a further chamber;
Fig. 4A bis 4D schematische Darstellungen von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Fluidzwischenkammer in einem Fluidpfad zwischen Flüssigkeits-Haitebereich und nachgeschalteten Fluidikstrukturen angeordnet ist; 4A to 4D are schematic representations of fluidic structures according to an embodiment, in which a fluid intermediate chamber is arranged in a fluid path between the liquid Haitebereich and downstream Fluidikstrukturen;
Fig. 5A bis 5D schematische Darstellungen von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel mit geänderten Anschlusspositionen der Fluidpfade; 5A to 5D are schematic representations of fluidic structures according to an embodiment with changed connection positions of the fluid paths;
Fig. 6 eine schematische Darstellung von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel mit kaskadierten Strukturen; 6 is a schematic representation of fluidic structures according to an exemplary embodiment with cascaded structures;
Fig. 7A bis 7E schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise des 7A to 7E are schematic diagrams for explaining the operation of the
Ausführungsbeispiels von Fig. 6; Embodiment of Fig. 6;
Fig. 8A bis 8E schematische Darstellungen von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel zum unterdruckbasierten Schalten; 8A to 8E are schematic representations of fluidic structures according to an embodiment for the vacuum-based switching;
Fig. 9 eine schematische Darstellung von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel mit eine Flüssigkeits-Haitebereich, der zwei Fluidkammern aufweist; 9 is a schematic representation of fluidic structures according to an embodiment with a liquid-Haitebereich having two fluid chambers.
Fig. 10A bis 10D schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise des 10A to 10D are schematic diagrams for explaining the operation of the
Ausführungsbeispiels von Fig. 9;
Fig. 11A bis 1 E schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels von Fig. 9 bei Verwendung von zwei Flüssigkeiten; Embodiment of Fig. 9; 11A to 1E are schematic diagrams for explaining the operation of the embodiment of Figure 9 when using two liquids ..;
Fig. 12A und 12B schematische Seitenansichten zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen von Vorrichtungen zum Schalten von Flüssigkeiten; und 12A and 12B are schematic side views for explaining embodiments of devices for switching liquids; and
Fig. 13A und 13B schematische Draufsichten von Ausführungsbeispielen von Fluidikmo- dulen. 13A and 13B are schematic plan views of embodiments of Fluidikmo- modules.
Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf Mikrofluidikstrukturen für ein zentri- fugo-pneumatisches Schalten und Verfahren zum zentrifugo-pneumatischen Schalten, insbesondere zum zentrifugo-pneumatischen Schalten von Flüssigkeiten von einem Flüs- sigkeits-Haltebereich, der eine erste Kammer aufweisen kann, in nachfolgende bzw. nachgeschaltete Fluidikstrukturen. Unter nachgeschalteten bzw. nachfolgenden (wobei diese Ausdrücke hierin austauschbar verwendet sind) Fluidikstrukturen werden dabei hierin Fluidikstukturen, wie z.B. Kanäle oder Kammern, verstanden, in die Flüssigkeit während einer Handhabung derselben aus vorhergehenden bzw. vorgeschalteten (wobei diese Ausdrücke hierin austauschbar verwendet sind) Fluidikstrukturen gelangt. Die Mikrofluidikstrukturen können dabei eine erste Kammer aufweisen, die mit den nachfolgenden Fluidikstrukturen über mindestens zwei Fluidpfade verbunden ist, wobei mindestens der Fluidpfad, durch den die Flüssigkeit beim Schalten in die nachfolgenden Fluidikstrukturen transferiert wird, siphonförmig ausgestaltet ist. Die Strukturen und das Verfahren können derart gestaltet sein, dass die maßgeblichen Drücke in Richtung bzw. entgegen der Befüllung des Pfads für den Flüssigkeitstransfer durch Zentrifugaldrücke bzw. pneumatische Drücke gegeben sind. Ein Schalten, bei dem Zentrifugaldrücke und pneumatische Drücke andere Drücke dominieren, kann als zentrifugo-pneumatisches Schalten bezeichnet werden. Embodiments of the invention relate to microfluidic structures for centrifuge-pneumatic switching and to methods for centrifugal-pneumatic switching, in particular for the centrifugo-pneumatic switching of liquids from a liquid-holding region, which may have a first chamber, into subsequent or downstream fluidic structures. Subsequent or subsequent (these terms are used interchangeably herein) fluidic structures herein are referred to as fluidic structures, such as e.g. Channels or chambers, understood to enter the fluid during handling thereof from upstream or upstream (these terms being used interchangeably herein) fluidic structures. In this case, the microfluidic structures may have a first chamber, which is connected to the following fluidic structures via at least two fluid paths, wherein at least the fluid path through which the fluid is transferred when switching into the subsequent fluidic structures is configured in the shape of a siphon. The structures and the method may be designed such that the relevant pressures in the direction or opposite to the filling of the path for the liquid transfer by centrifugal pressures or pneumatic pressures are given. Switching in which centrifugal pressures and pneumatic pressures dominate other pressures can be referred to as centrifugal-pneumatic switching.
Bei Ausführungsbeispielen können pneumatische Überdrücke und/oder Unterdrücke verwendet werden. In embodiments, pneumatic overpressures and / or negative pressures may be used.
Im Fall der Verwendung von Überdrücken wird bei der Befüllung der ersten Kammer mit einer Flüssigkeit Gas in die nachfolgenden Fluidikstrukturen verdrängt, wodurch in diesen ein pneumatischer Überdruck entsteht. Dieser pneumatische Überdruck kann durch geeignete Gestaltung in weiten Bereichen gewählt werden und bestimmt, bei ansonsten unveränderten Prozessierungsbedingungen, maßgeblich die für das Schalten der Flüssig-
keit notwendige Rotationsfrequenz (Schaltfrequenz). Vor dem Schaltvorgang ist in diesem Fall der zentrifugal induzierte Druck in der ersten Kammer geringer als der notwendige Druck, um gegen den pneumatischen Überdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen den Scheitel des siphonförmigen Kanals zu benetzen, durch welchen die Flüssigkeit beim Schaltvorgang in die nachfolgenden Fluidikstrukturen transferiert wird. Dies stellt einen (quasistatischen) Gleichgewichtszustand dar. Durch Erhöhung der Rotationsfrequenz der Kartusche über die Schaltfrequenz kann der Zentrifugaldruck über den Schaltdruck erhöht werden, wodurch der Siphon benetzt und der Transfer der Flüssigkeit in die nachfolgenden Fluidikstrukturen initiiert wird. Alternativ oder in Kombination kann auch die hydrostatische Höhe der Flüssigkeit vergrößert werden, um den Flüssigkeitstransfer zu initiieren, beispielsweise indem zusätzliche Flüssigkeit über vorgeschaltete Fluidikstrukturen in den Flüssigkeits-Haltebereich zugegeben wird. In the case of the use of overpressures, gas is displaced into the subsequent fluidic structures during the filling of the first chamber with a liquid, as a result of which a pneumatic overpressure is created in these. This pneumatic overpressure can be selected within a wide range by means of suitable design and determines, with otherwise unchanged processing conditions, significantly for the switching of the liquid necessary rotation frequency (switching frequency). In this case, prior to the switching operation, the centrifugally induced pressure in the first chamber is less than the pressure required in order to wet against the pneumatic overpressure in the subsequent fluidic structures the apex of the siphon-shaped channel, through which the liquid is transferred into the subsequent fluidic structures during the switching process , This represents a (quasi-static) equilibrium state. By increasing the rotational frequency of the cartridge over the switching frequency, the centrifugal pressure can be increased above the switching pressure, whereby the siphon is wetted and the transfer of the liquid into the subsequent fluidic structures is initiated. Alternatively, or in combination, the hydrostatic height of the fluid may also be increased to initiate fluid transfer, for example by adding additional fluid into the fluid holding region via upstream fluidic structures.
Im Fall der Verwendung von Unterdruck für das Schaitprinzip können bei Ausführungsbeispielen zunächst die nachfolgenden Fluidikstrukturen erwärmt werden, so dass sich ein in ihnen enthaltenes Gas ausdehnt und ein Teil dieses Gases entweichen kann. Wenn in der Folge Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich transferiert wird und die Rotationsfrequenz erhöht wird, kann die Flüssigkeit in den Fluid-Verbindungspfaden auf circa derselben radialen Höhe stehen wie in dem Flüssigkeits-Haltebereich. Bei Verringerung der Temperatur in den nachfolgenden Fluidikstrukturen ergibt sich ein Unterdruck der in Richtung zu den nachfolgenden Fluidikstrukturen wirkt. Da die Verbindungspfade siphonförmig ausgestaltet sind, erhöht sich dadurch jedoch die hydrostatische Höhe in den Verbindungspfaden, so dass die Zentrifugalkraft in diesem Fall einer weiteren Befüllung der Verbindungspfade entgegenwirkt. Dies ist der (quasistatische) Gleichgewichtszustand unter Unterdruckbedingungen. Durch weitere Erhöhung des Unterdrucks und/oder durch Verringerung des Zentrifugaldrucks kann dann ein Schaltprozess initiiert werden. In the case of the use of negative pressure for the switching principle, in embodiments the subsequent fluidic structures can first be heated, so that a gas contained in them expands and part of this gas can escape. As a result, when liquid is transferred into the liquid holding region and the rotational frequency is increased, the liquid in the fluid communication paths may be at approximately the same radial height as in the liquid holding region. When the temperature in the subsequent fluidic structures is reduced, a negative pressure results which acts in the direction of the subsequent fluidic structures. However, since the connection paths are siphon-shaped, this increases the hydrostatic height in the connection paths, so that the centrifugal force in this case counteracts further filling of the connection paths. This is the (quasistatic) equilibrium state under negative pressure conditions. By further increasing the negative pressure and / or by reducing the centrifugal pressure, a switching process can then be initiated.
Ausführungsbeispiele stellen Verfahren zum Zurückhalten von Flüssigkeiten und Auslösen des Schaltvorgangs durch andere Veränderungen der Prozessierungsbedingungen zusammen mit den damit verbundenen Strukturen dar. Allen Strukturen und Verfahren ist gemeinsam, dass während des Transfers die zweite Fluidverbindung zwischen Flüssigkeits-Haltebereich und nachgeschalteten Fluidikstrukturen genutzt werden kann, um Gas aus den nachgeschalteten Fluidikstrukturen in den Flüssigkeits-Haltebereich bzw. eine Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs entweichen zu lassen oder zuströmen zu lassen, wodurch sich die pneumatische Druckdifferenz zu den nachgeschalteten Fluidikstrukturen abbauen lässt.
Im Folgenden werden einige Definitionen für hierin verwendete Bezeichnungen angegeben. Embodiments illustrate methods of retaining liquids and initiating the switching process by other changes in processing conditions along with the structures associated therewith. Common to all structures and methods is that during transfer, the second fluid interconnect between liquid holding area and downstream fluidics structures may be utilized Allow gas from the downstream fluidic in the liquid holding area or a fluid chamber of the liquid-holding area to escape or flow, which can reduce the pneumatic pressure difference to the downstream fluidic structures. In the following some definitions are given for designations used herein.
Unter hydrostatischer Höhe ist die radiale Distanz zwischen zwei Punkten in einer zentrifugalen Kartusche, falls sich an beiden Punkten Flüssigkeit einer zusammenhängenden Flüssigkeitsmenge befindet, zu verstehen. Unter hydrostatischem Druck ist die durch Zentrifugalkraft induzierte Druckdifferenz zwischen zwei Punkten aufgrund der zwischen ihnen liegenden hydrostatischen Höhe zu verstehen. Der effektive fluidische Widerstand einer mikrofluidischen Struktur ist der Quotient aus dem Druck, der ein Fluid durch eine mikrofluidische Struktur treibt, und daraus resultierendem Flüssigkeitsstrom durch die mikrofluidische Struktur zu verstehen. Unter Aliquotieren ist das Aufteilen eines Flüssigkeitsvolumens in mehrere getrennte Einzelvolumina, sogenannte Aliquots, zu verstehen. By hydrostatic head is meant the radial distance between two points in a centrifugal cartridge, if at both points there is liquid of a continuous quantity of liquid. Hydrostatic pressure is the centrifugal force-induced pressure difference between two points due to the hydrostatic head between them. The effective fluidic resistance of a microfluidic structure is the quotient of the pressure that drives a fluid through a microfluidic structure and the resulting fluid flow through the microfluidic structure. Aliquoting is the division of a liquid volume into several separate individual volumes, so-called aliquots.
Unter Metering ist das Abmessen eines definierten Flüssigkeitsvolumens aus einem größeren Flüssigkeitsvolumen zu verstehen. Unter Schaltfrequenz ist die Rotationsfrequenz einer mikrofluidischen Kartusche zu verstehen, bei deren Überschreitung ein Transferpro- zess einer Flüssigkeit von einer ersten Struktur in eine zweite Struktur beginnt. Unter einem Siphonkanal ist ein Mikrofluidikkanal oder ein Abschnitt eines Mikrofluidikkanals in einer zentrifugal mikrofluidischen Kartusche zu verstehen, bei dem Eingang und Ausgang des Kanals einen größeren Abstand vom Drehzentrum aufweisen als ein Zwischenbereich des Kanals. Unter einem Siphonscheitel ist der Bereich eines Siphonkanals in einer mikrofluidischen Kartusche mit minimalem Abstand vom Drehzentrum zu verstehen. Metering is the measurement of a defined volume of liquid from a larger volume of liquid to understand. Switching frequency is understood to be the rotational frequency of a microfluidic cartridge, beyond which a transfer process of a liquid from a first structure to a second structure begins. A siphon channel is to be understood as a microfluidic channel or a section of a microfluidic channel in a centrifugally microfluidic cartridge in which the inlet and outlet of the channel are located at a greater distance from the center of rotation than an intermediate region of the channel. A siphon apex is understood to mean the area of a siphon channel in a microfluidic cartridge with a minimum distance from the center of rotation.
Unter einem Entlüftungs-Verzögerungswiderstand ist der fluidische Widerstand zu verstehen, durch den eine Fluidikstruktur, in der ein pneumatischer Differenzdruck zum Umgebungsdruck herrscht, entlüftet wird. Der fluidische Widerstand ist dabei mindestens so hoch, dass die Verringerung des Differenzdrucks auf dessen Hälfte unter alleiniger Berücksichtigung der Entlüftung durch den fluidischen Widerstand mindestens 0,5 s dauert. Dies trifft auf jeden Zeitpunkt während der Entlüftung zu. By a venting delay resistance is meant the fluidic resistance through which a fluidic structure in which a pneumatic differential pressure to the ambient pressure prevails, is vented. The fluidic resistance is at least so high that the reduction of the differential pressure to half of it, taking into account only the venting by the fluidic resistance takes at least 0.5 s. This applies at any time during the venting.
Wenn bei Ausführungsbeispielen ein Entlüftungs-Verzögerungswiderstand für die nachgeschalteten Fluidikstrukturen vorgesehen ist, lässt sich der zeitliche Verlauf des Druckabfalls in diesen Fluidikstrukturen beispielsweise bestimmen, indem der Flüssigkeits- Haltebereich bei konstanter Temperatur unter Zentrifugation mit Flüssigkeit gefüllt wird und die hydrostatische Höhe zwischen einer vorgeschalteten Kammer und einer Fluid-
kammer, in der die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltestrukturen gehalten wird, im quasistationären Gleichgewicht durch ein geeignetes Kamerasystem (z.B. mit Stroboskopbe- lichtung) aufgenommen wird. Aus der Rotationsfrequenz und der hydrostatischen Höhe ergibt sich der in den nachfolgenden Strukturen bestehende pneumatische Überdruck. Daher lässt sich auch die Abbaurate des Überdrucks aus diesen Bildinformationen bestimmen, woraus sich die Größe des Entlüftungs-Verzögerungswiderstands ergibt. Bei anderen Ausführungsbeispielen, wie z.B. einem Schalten bei Unterdruck, lässt sich das Verfahren analog verwenden, indem Flüssigkeit bei einer bestimmten Frequenz und Starttemperatur eingefüllt wird und danach eine definierte schnelle Abkühlung erzeugt wird. Aus der sich entwickelnden hydrostatischen Höhe in den Verbindungspfaden und deren Abbaugeschwindigkeit ergibt sich wiederum die Größe des Entlüftungs-Verzögerungs- widerstands. If in embodiments a venting delay resistor is provided for the downstream fluidic structures, the time profile of the pressure drop in these fluidic structures can be determined, for example, by filling the liquid holding area at a constant temperature with liquid under centrifugation and the hydrostatic height between an upstream chamber and a fluid Chamber in which the liquid is held in the liquid-retaining structures, in quasi-stationary equilibrium by a suitable camera system (eg with stroboscopic exposure) is recorded. The rotational frequency and the hydrostatic head result in the pneumatic overpressure existing in the following structures. Therefore, the degradation rate of the overpressure can also be determined from this image information, resulting in the size of the venting delay resistance. In other embodiments, such as switching at negative pressure, the method can be analogously used by liquid is filled at a certain frequency and start temperature and then a defined rapid cooling is generated. The development of the hydrostatic height in the connection paths and their rate of degradation results in turn in the size of the venting delay resistance.
Alle Flüssigkeiten, die sich in einem quasi-statischen Fluidzustand befinden, verändern ihre Position innerhalb der Kartusche, in der sie sich befinden, in direkter Abhängigkeit von den Prozessierungsbedingungen. D.h. alle Fluidtransportprozesse zwischen Fluidik- strukturen die bei konstanten Prozessierungsbedingungen ablaufen, sind abgeschlossen. Weiterhin nehmen Flüssigkeitstransportprozesse die eine Folge von Veränderungen von Prozessierungsbedingungen sind, jederzeit während der Veränderung der Prozessierungsbedingungen innerhalb von höchstens 1s auf deren jeweilige Hälfte ab, sobald die Veränderung der Prozessierungsbedingungen abrupt gestoppt werden. All fluids that are in a quasi-static fluid state change their position within the cartridge in which they are located, depending on the processing conditions. That All fluid transport processes between fluidic structures which take place under constant processing conditions have been completed. Further, liquid transport processes that are a consequence of changes in processing conditions, at any time during the change in processing conditions, within a maximum of 1 second on their respective half as soon as the change in the processing conditions are stopped abruptly.
Unter einem Flüssigkeitsführungspfad ist eine IVlikrofluidikstruktur zu verstehen, durch die während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Flüssigkeit aus dem Flüs- sigkeits-Haltebereich in eine oder mehrere nachfolgende Fluidikstrukturen fließt. Unter einem Gasführungspfad ist eine IVlikrofluidikstruktur zu verstehen, durch die während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Gasaustausch zwischen den nachfolgenden Fluidikstrukturen und dem Flüssigkeits-Haltebereich stattfindet. Unter einem Flüssigkeitsaufnahmevolumen ist eine IVlikrofluidikstruktur zu verstehen, die ein Volumen bereitstellt, in das Flüssigkeit nach Auslösung des erfindungsgemäßen Schaltvorgangs transferiert wird. A fluid guide path is to be understood as meaning a fluidic structure through which fluid flows from the fluid-holding region into one or more subsequent fluidic structures during the execution of the method according to the invention. A gas guidance path is to be understood as meaning an IV fluidic structure through which gas exchange takes place between the subsequent fluidic structures and the fluid holding area during the execution of the method according to the invention. A fluid receiving volume is understood to mean a fluidic fluid structure which provides a volume into which fluid is transferred after initiation of the switching process according to the invention.
Unter einer mikrofluidischen Kartusche ist hierin eine Vorrichtung, wie z.B. ein Fluidikmo- dul, zu verstehen, die Mikrofluidikstrukturen aufweist, die ein Flüssigkeitshandhabung, wie sie hierin beschrieben ist, ermöglichen. Unter einer zentrifugalen mikrofluidischen Kartusche ist eine entsprechende Kartusche zu verstehen, die einer Rotation unterworfen wer-
den kann, beispielsweise in Form eines in einen Rotationskörper einsetzbaren Fluidikmo- duls oder eines Rotationskörpers. By a microfluidic cartridge is meant herein an apparatus, such as a fluidic module, having microfluidic structures that facilitate liquid handling as described herein. A centrifugal microfluidic cartridge means a corresponding cartridge which is subjected to rotation. can, for example in the form of an insertable into a body of revolution fluidic or a body of revolution.
Ist hierin von einem Fluidkanal die Rede, so ist eine Struktur gemeint, deren Längenabmessung von einem Fluideinlass zu einem Fluidauslass größer ist, beispielsweise mehr als 5-mal oder mehr als 10-mal größer, als die Abmessung bzw. Abmessungen, die den Strömungsquerschnitt definiert bzw. definieren. Somit weist ein Fluidkanal einen Strömungswiderstand für ein Durchströmen desselben von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass auf. Dagegen ist eine Fluidkammer hierein eine Kammer die solche Abmessungen aufweist, dass bei der Durchströmung der Kammer ein im Vergleich zu verbundenen Kanälen vernachlässigbarer Strömungswiderstand auftritt, der beispielsweise 1/100 oder 1/1000 des Strömungswiderstands der an die Kammer angeschlossenen Kanalstruktur mit kleinstem Strömungswiderstand betragen kann. As used herein, a fluid channel means a structure whose length dimension is greater from a fluid inlet to a fluid outlet, for example more than 5 times or more than 10 times greater than the dimension defining the flow area or define. Thus, a fluid channel has a flow resistance for flowing through it from the fluid inlet to the fluid outlet. In contrast, a fluid chamber herein is a chamber which has dimensions such that, as it flows through the chamber, there is a negligible flow resistance compared to connected channels, which may be, for example, 1/100 or 1/1000 of the flow resistance of the channel structure with the smallest flow resistance connected to the chamber ,
Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden, sei zunächst darauf hingewiesen, dass Beispiele der Erfindung insbesondere auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik Anwendung finden können, bei der es um die Prozessierung von Flüssigkeiten im Picoliter- bis Milliliterbereich geht. Entsprechend können die Fluidikstrukturen geeignete Abmessungen im Mikrometerbereich für die Handhabung entsprechender Flüssigkeitsvolumina aufweisen. Insbesondere können Ausführungsbeispiele der Erfindung auf zentrifugal-mikrofluidischen Systemen Anwendung finden, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung„Lab-on-a-Disk" bekannt sind. Before embodiments of the invention are explained in more detail, it should first be pointed out that examples of the invention can be found in particular in the field of centrifugal microfluidics, which involves the processing of liquids in the picoliter to milliliter range. Accordingly, the fluidic structures can have suitable dimensions in the micrometer range for handling corresponding volumes of liquid. In particular, embodiments of the invention can be applied to centrifugal microfluidic systems, as known for example under the name "Lab-on-a-Disk".
Wird hierin der Ausdruck radial verwendet, so ist jeweils radial bezüglich des Rotationszentrums, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper drehbar ist, gemeint. Im Zentrifugalfeld ist somit eine radiale Richtung von dem Rotationszentrum weg radial abfallend und eine radiale Richtung zu dem Rotationszentrum hin ist radial ansteigend. Ein Fluidkanal, dessen Anfang näher am Rotationszentrum liegt als dessen Ende, ist somit radial abfallend, während ein Fluidkanal, dessen Anfang weiter vom Rotationszentrum entfernt ist als dessen Ende, radial ansteigend ist. Ein Kanal, der einen radial ansteigenden Abschnitt aufweist weist also Richtungskomponenten auf, die radial ansteigen bzw. radial nach innen verlaufen. Es ist klar, dass ein solcher Kanal nicht exakt entlang einer radialen Linie verlaufen muss, sondern in einem Winkel zu der radialen Linie oder gebogen verlaufen kann.
Bezug nehmend auf die Fig. 12A, 12B, 13A und 13B werden zunächst Beispiele von zent- rifugal-mikrofluidischen Systemen bzw. Fluidikmodulen beschrieben, bei denen die Erfindung verwendet werden kann. As used herein, the term radial is meant to be radial with respect to the center of rotation about which the fluidic module or body is rotatable. Thus, in the centrifugal field, a radial direction is radially sloping away from the center of rotation and a radial direction toward the center of rotation is radially increasing. A fluid channel, the beginning of which is closer to the center of rotation than the end, is thus radially sloping, while a fluid channel, the beginning of which is farther from the center of rotation than its end, is radially increasing. A channel which has a radially rising section thus has directional components which rise radially or extend radially inwards. It is clear that such a channel does not have to run exactly along a radial line, but can run at an angle to the radial line or bent. Referring to Figs. 12A, 12B, 13A and 13B, examples of centrifugal microfluidic systems and fluidic modules will now be described in which the invention may be used.
Fig. 12A zeigt eine Vorrichtung mit einem Fluidikmodul in Form eines Rotationskörpers 10, der ein Substrat 12 und einen Deckel 14 aufweist. Fig. 13A zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Rotationskörper 10. Das Substrat 12 und der Deckel 14 können in Draufsicht kreisförmig sein, mit einer mittigen Öffnung 15, in der ein Rotationszentrum R angeordnet ist und über die der Rotationskörper 10 über eine übliche Befestigungseinrichtung 16 an einem rotierenden Teil 18 einer Antriebsvorrichtung 20 angebracht sein kann. Das rotierende Teil 18 ist drehbar an einem stationären Teil 22 der Antriebsvorrichtung 20 gelagert. Bei der Antriebsvorrichtung 20 kann es beispielsweise um eine herkömmliche Zentrifuge mit einstellbarer Drehgeschwindigkeit oder auch ein CD- oder DVD-Laufwerk handeln. Eine Steuereinrichtung 24 kann vorgesehen sein, die ausgelegt ist, um die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um den Rotationskörper 10 mit Rotationen mit unterschiedlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen. Die Steuereinrichtung 24 kann ausgelegt sein, um ein Frequenzprotokoll auszuführen, um die hierin beschriebenen Funktionalitäten zu erreichen. Die Steuereinrichtung 24 kann, wie für Fachleute offensichtlich ist, beispielsweise durch eine entsprechend programmierte Recheneinrichtung, einen Mikroprozessor oder eine anwenderspezifische integrierte Schaltung implementiert sein. Die Steuereinrichtung 24 kann ferner ausgelegt sein, um auf manuelle Eingaben durch einen Benutzer hin die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um die erforderlichen Rotationen des Rotationskörpers zu bewirken. In jedem Fall kann die Steuereinrichtung 24 konfiguriert sein, um die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um das Fluidikmodul mit den erforderlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen, um Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie sie hierin beschrieben sind, zu implementieren. Als Antriebsvorrichtung 20 kann eine herkömmliche Zentrifuge mit nur einer Drehrichtung verwendet werden. FIG. 12A shows a device with a fluidic module in the form of a rotary body 10, which has a substrate 12 and a cover 14. 13A shows schematically a plan view of the rotary body 10. The substrate 12 and the cover 14 may be circular in plan view, with a central opening 15, in which a center of rotation R is arranged and via which the rotary body 10 via a conventional fastening means 16 at a rotating part 18 of a drive device 20 may be attached. The rotating part 18 is rotatably supported on a stationary part 22 of the drive device 20. The drive device 20 may be, for example, a conventional adjustable-speed centrifuge or a CD or DVD drive. A control device 24 may be provided, which is designed to control the drive device 20 in order to act on the rotation body 10 with rotations with different rotational frequencies. The controller 24 may be configured to execute a frequency protocol to achieve the functionalities described herein. As will be appreciated by those skilled in the art, the controller 24 may be implemented by, for example, a suitably programmed computing device, a microprocessor, or a custom integrated circuit. The controller 24 may further be configured to control the drive device 20 upon manual inputs by a user to effect the required rotations of the rotating body. In either case, the controller 24 may be configured to control the drive device 20 to apply the required rotational frequencies to the fluidic module to implement embodiments of the invention as described herein. As drive device 20, a conventional centrifuge with only one direction of rotation can be used.
Der Rotationskörper 10 weist die hierein beschriebenen Fluidikstrukturen auf. Entsprechende Fluidikstrukturen sind in Fig. 13A rein schematisch durch trapezförmige Bereiche 28a bis 28d angedeutet. Beispielsweise können mehrere Fluidikstrukturen in azimutaler Richtung nebeneinander angeordnet sein, wie dies in Fig. 13A gezeigt ist, um eine parallele Handhabung mehrerer Flüssigkeiten zu ermöglichen. Die Fluidikstrukturen können durch Kavitäten und Kanäle in dem Deckel 14, dem Substrat 12 oder in dem Substrat 12 und dem Deckel 14 gebildet sein. Bei Ausführungsbeispielen können beispielsweise Fluidikstrukturen in dem Substrat 12 gebildet sein, während Einfüllöffnungen und Entlüf-
tungsöffnungen in dem Deckel 14 gebildet sind. Bei Ausführungsbeispielen ist das strukturierte Substrat (inklusive Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen) oben angeordnet und der Deckel unten angeordnet. The rotary body 10 has the fluidic structures described herein. Corresponding fluidic structures are indicated purely schematically in FIG. 13A by trapezoidal regions 28a to 28d. For example, a plurality of fluidic structures may be juxtaposed in the azimuthal direction, as shown in FIG. 13A, to facilitate parallel handling of multiple fluids. The fluidic structures may be formed by cavities and channels in the lid 14, the substrate 12 or in the substrate 12 and the lid 14. In embodiments, for example, fluidic structures can be formed in the substrate 12, while filling openings and venting can be formed. openings are formed in the lid 14. In embodiments, the patterned substrate (including fill openings and vents) is located at the top and the lid is located at the bottom.
Bei einem alternativen in Fig. 12B gezeigten Ausführungsbeispiel sind Fluidikmodule 32 in einen Rotor 30 eingesetzt und bilden zusammen mit dem Rotor 30 den Rotationskörper 10. Fig. 13B zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein entsprechendes Fluidikmodul. Die Fluidikmodule 32 können jeweils ein Substrat und einen Deckel aufweisen, in denen wiederum entsprechende Fluidikstrukturen gebildet sein können. Der durch den Rotor 30 und die Fluidikmodule 32 gebildete Rotationskörper 10 ist wiederum durch eine Antriebsvorrichtung 20, die durch die Steuereinrichtung 24 gesteuert wird, mit einer Rotation beaufschlagbar. In an alternative embodiment shown in FIG. 12B, fluidic modules 32 are inserted into a rotor 30 and together with the rotor 30 form the rotary body 10. FIG. 13B schematically shows a plan view of a corresponding fluidic module. The fluidic modules 32 may each have a substrate and a lid, in which corresponding fluidic structures may again be formed. The rotational body 10 formed by the rotor 30 and the fluidic modules 32 in turn can be acted upon by a drive device 20, which is controlled by the control device 24, with a rotation.
In den Figuren 12 und 13 ist ein Rotationszentrum, um das das Fluidikmodul bzw. der Rota-tionskörper drehbar ist, mit R bezeichnet. In FIGS. 12 and 13, a center of rotation about which the fluidic module or the rotational body is rotatable is denoted by R.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper, das bzw. der die Fluidikstrukturen aufweist, aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise einem Kunststoff, wie PMMA (Polymethylmethac-rylat), PC (Polycarbonat), PVC (Polyvinylchlorid) oder PDMS (Polydimethylsiloxan), Glas oder dergleichen. Der Rotationskörper 10 kann als eine zentrifugal-mikrofluidische Plattform betrachtet werden. In embodiments of the invention, the fluidic module or body having the fluidic structures may be formed of any suitable material, for example, a plastic such as PMMA (polymethylmethacrylate), PC (polycarbonate), PVC (polyvinylchloride), or PDMS (polydimethylsiloxane), glass or the like. The rotary body 10 may be considered as a centrifugal microfluidic platform.
Wie nachfolgend erläutert wird, stellt die Steuereinrichtung 24 bei Ausführungsbeispielen eine Betätigungseinrichtung dar, die die Rotationsgeschwindigkeit der Antriebseinrichtung einstellen kann, um den Flüssigkeitstransfer zu initiieren, d.h. die Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck zu bewirken, durch die das Schalten der Flüssigkeit bewirkt wird. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Betätigungseinrichtung zusätzlich eine oder mehrere Heizeinrichtungen und/oder Kühleinrichtungen aufweisen, um die Temperatur der Fluidikstrukturen zu steuern, um den Flüssigkeitstransfer zu initiieren. Beispielsweise können ein oder mehrere Temperatursteuerelemente 40 (Heizelement und/oder Kühlelement) in den Rotationskörper integriert sein, wie in den Figuren 12A und 12B gezeigt ist. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere externe Temperatursteuerelemente 42 vorgesehen sein, über die die Temperatur der Fluidikstrukturen eingestellt werden kann. Die externen Temperatursteuerelemente können beispielsweise ausgelegt sein, um die Temperatur der Umgebung und damit auch
des Fluidikmoduls zu steuern. Die Steuerung kann ausgelegt sein, um die Temperatursteuerelemente 40, 42 zu steuern, so dass bei solchen Ausführungsbeispielen die Betätigungseinrichtung die Steuerung 24 und die Temperatursteuerelemente aufweisen kann. As will be explained below, in embodiments, the control means 24 is an actuator which can adjust the rotational speed of the drive means to initiate fluid transfer, ie to cause the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure to cause switching of the fluid becomes. In embodiments of the invention, the actuator may additionally include one or more heaters and / or coolers to control the temperature of the fluidic structures to initiate fluid transfer. For example, one or more temperature control elements 40 (heating element and / or cooling element) may be integrated into the rotary body, as shown in FIGS. 12A and 12B. Alternatively or additionally, one or more external temperature control elements 42 can be provided, via which the temperature of the fluidic structures can be adjusted. The external temperature control elements can be designed, for example, to the temperature of the environment and thus also to control the fluidic module. The controller may be configured to control the temperature control elements 40, 42 so that in such embodiments, the actuator may include the controller 24 and the temperature controls.
Bezugnehmend auf die Figuren 1 bis 11 werden nachfolgend Ausführungsbeispiele von Fluidikmodulen (mikrofluidischen Kartuschen) und darin gebildeter Fluidikstrukturen beschrieben. With reference to FIGS. 1 to 11, embodiments of fluidic modules (microfluidic cartridges) and fluidic structures formed therein will now be described.
Fig. 1 zeigt schematisch in einem Fluidikmodul 50 gebildete Fluidikstrukturen. Das Flu- idikmodul 50 ist um ein Rotationszentrum R drehbar. Die Fluidikstrukturen weisen einen Flüssigkeits-Haltebereich auf, der eine erste Kammer 52 aufweist. Mit der ersten Kammer 52 sind vorausgehende Fluidikstrukturen verbunden, die eine vorgeschaltete Kammer 54 aufweisen, der über einen radial abfallenden Verbindungskanal 56 mit der ersten Kammer 52 verbunden ist. Der Verbindungskanal 56 mündet in einem radial äußeren Bereich 57, beispielsweise dem radial äußeren Ende, in die erste Kammer 52. Über die vorgeschaltete Kammer und den Verbindungskanal 56 ist die erste Kammer zentrifugal befüllbar. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die erste Kammer auch auf andere Weise als zentrifugal befüllbar sein kann, wobei erst nach der Befüllung das Fluidikmodul mit einer Rotation beaufschlagt wird, um das Gleichgewicht zwischen Zentrifugaldruck und pneumatischem Druck zu erreichen. 1 shows schematically fluidic structures formed in a fluidic module 50. The fluidic module 50 is rotatable about a center of rotation R. The fluidic structures have a liquid holding region, which has a first chamber 52. The first chamber 52 is connected to preceding fluidic structures which have an upstream chamber 54, which is connected to the first chamber 52 via a radially sloping connection channel 56. The connecting channel 56 opens in a radially outer region 57, for example, the radially outer end, in the first chamber 52. About the upstream chamber and the connecting channel 56, the first chamber is centrifugally filled. It should be noted at this point that the first chamber may also be filled in a manner other than centrifugal, wherein only after the filling, the fluidic module is subjected to a rotation in order to achieve the equilibrium between centrifugal pressure and pneumatic pressure.
Das Fluidikmodul 50 weist ferner nachfolgende Fluidikstrukturen, die eine Fluidkammer 58 als Fluidaufnahmevolumen aufweisen, und zwei Fluidpfade 60, 62 auf, welche die erste Kammer 52 mit der Fluidkammer 58 fluidisch verbinden. Der Fluidpfad 62 weist einen Siphonkanal auf, dessen Siphonscheitel 64 radial innerhalb der radial äußersten Position der ersten Kammer 52 liegt. Die nachfolgenden Fluidikstrukturen in Form der Fluidkammer 58 sind entweder nicht entlüftet, oder können über einen Entlüftungs- Verzögerungswiderstand 66 entlüftet sein, der der obigen Definition genügt. Ein solcher Entlüftungs-Verzögerungswiderstand 66 kann optional bei allen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, ohne dass es jeweils einer separaten Erwähnung bedarf. The fluidic module 50 further includes subsequent fluidic structures having a fluid chamber 58 as the fluid receiving volume and two fluid paths 60, 62 fluidly connecting the first chamber 52 to the fluid chamber 58. The fluid path 62 has a siphon channel whose siphon apex 64 lies radially within the radially outermost position of the first chamber 52. The subsequent fluidic structures in the form of the fluid chamber 58 are either not vented or may be vented via a venting delay resistor 66 which satisfies the above definition. Such a venting delay resistor 66 may optionally be provided in all of the embodiments described herein without each requiring separate mention.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der erste Fluidpfad 60 zwischen der ersten Kammer 52 und der nachfolgenden Fuidikstruktur 58 aus einem Kanal, der von einem radial inneren Bereich der ersten Kammer 52, beispielsweise vom radial innersten Punkt 68 der ersten Kammer 52, zu einem radial inneren Bereich der nachfolgenden Fluidkam-
mer 58, beispielsweise zum radial innersten Punkt 70 der nachfolgenden Fluidkammer 58, führt. Der zweite Fluidpfad 62 zwischen der ersten Kammer 52 und der nachfolgenden Fluidkammer 58 ist in einem radial äußeren Bereich, beispielsweise am radial äußersten Punkt 72, der ersten Kammer 52 mit dieser verbunden und führt über den Siphonscheitel 64 zu einem radial äußeren Bereich, beispielsweise zum radial äußersten Punkt 74, der nachfolgenden Fluidkammer 58. In the embodiment shown, the first fluid path 60 between the first chamber 52 and the subsequent fluidic structure 58 consists of a channel extending from a radially inner region of the first chamber 52, for example, from the radially innermost point 68 of the first chamber 52, to a radially inner region the subsequent fluid chamber mer 58, for example, to the radially innermost point 70 of the subsequent fluid chamber 58 leads. The second fluid path 62 between the first chamber 52 and the subsequent fluid chamber 58 is connected to the first chamber 52 in a radially outer region, for example at the radially outermost point 72 and leads via the siphon vertex 64 to a radially outer region, for example radially outermost point 74, the subsequent fluid chamber 58.
Zwischen der jeweiligen Mündung der beide Fluidpfade 60 und 62 in die erste Fluidkammer 52 und der jeweiligen Mündung in die nachfolgende Fluidkammer 58 liegt ein radiales Gefälle vor. Between the respective mouth of the two fluid paths 60 and 62 in the first fluid chamber 52 and the respective mouth into the subsequent fluid chamber 58 is a radial gradient.
Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen ein Einbringen zumindest einer Flüssigkeit in eine erste Kammer des Flüssigkeits-Haltebereichs. Dieses Einbringen kann durch einen zentrifugal induzierten Transfer einer Flüssigkeit in die erste Kammer 52 erfolgen. Im Anschluss kann eine zentrifugo-pneumatisch induzierte Zurückhaltung der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich, beispielsweise der ersten Kammer 52, erfolgen. Im Anschluss kann ein Schalten der Flüssigkeit in die nachfolgenden Fluidikstrukturen, beispielsweise die nachfolgende Fluidkammer 58, erfolgen. Während des Schaltvorgangs wird durch mindestens einen Fluidpfad (z.B. Fluidpfad 62) mindestens ein Teil der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitshaltebereich (z.B. erster Kammer 52) in die nachfolgenden Fluidikstrukturen (z.B. Fluidkammer 58) transferiert. Fluidpfade, durch die während des Schaltvorgangs Flüssigkeit transferiert wird, werden im Folgenden als Flüssigkeitsführungspfade bezeichnet. Durch mindestens einen weiteren Fluidpfad (z.B. Fluidpfad 62) zwischen dem Flüssigkeits-Haltebereich (z.B. erster Kammer 52) und den nachfolgenden Fluidstrukturen (z.B. Fluidkammer 58) kann während des Schaltvorgangs Gas (in der Regel Luft) aus den nachfolgenden Fluidstrukturen zurück in den Flüssigkeits- Haltebereich transferiert werden. Fluidpfade die dies erlauben, werden im Folgenden Gasführungspfade genannt. Embodiments of a method according to the invention include introducing at least one liquid into a first chamber of the liquid-holding region. This introduction can be effected by a centrifugally induced transfer of a liquid into the first chamber 52. Subsequently, a centrifugally-pneumatically induced retention of the liquid in the liquid-holding region, for example, the first chamber 52, take place. Subsequently, a switching of the liquid in the subsequent fluidic structures, for example, the subsequent fluid chamber 58, take place. During the switching operation, at least a portion of the liquid is transferred from the liquid holding region (e.g., first chamber 52) into the subsequent fluidic structures (e.g., fluid chamber 58) through at least one fluid path (e.g., fluid path 62). Fluid paths through which liquid is transferred during the switching process are referred to below as fluid guide paths. By means of at least one further fluid path (eg fluid path 62) between the fluid holding region (eg first chamber 52) and the subsequent fluid structures (eg fluid chamber 58), gas (usually air) can be withdrawn from the subsequent fluid structures back into the fluid during the switching process. Holding area to be transferred. Fluid paths that permit this are referred to below as gas routing paths.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines solchen Verfahrens anhand des Betriebs des in Fig. 1 gezeigten Fluidikmoduls 50 Bezug nehmend auf die Figuren 2A bis 2E beschrieben. Die Figuren 2A bis 2E zeigen fluidische Betriebszustände des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels während der Durchführung des Verfahrens. Der Übersichtlichkeit halber sind die jeweiligen Bezugszeichen der Fluidikstrukturen in den Figuren 2A bis 2E weggelassen.
In einem ersten Zustand, der in Fig. 2A gezeigt ist, befindet sich Flüssigkeit 80 in der der ersten Kammer 52 vorgeschalteten Kammer 54 und in dem Verbindungskanal 56 zwischen vorgeschalteter Kammer 54 und erster Kammer 52. Dabei befindet sich ein Teil der vorgeschalteten Kammer 54 radial näher am Rotationszentrum R als der Siphonscheitel 64 des Fluidführungskanals. Die Flüssigkeit kann beispielsweise über eine Einlassöffnung oder über weitere vorgeschaltete Fluidikstrukturen in die vorgeschaltete Kammer 54 und den Verbindungskanal 56 eingebracht werden. Durch die eingebrachte Flüssigkeit 80 ist in der ersten Kammer 52, den Fluidpfaden 60 und 62 und der nachgeschalteten Fluid- kammer 58 ein Luftvolumen eingeschlossen, dass nicht entlüftet (oder lediglich über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftet ist). Anders ausgedrückt ist auch der Flu- idpfad 60, der einen Entlüftungskanal darstellt, zur Atmosphäre hin durch die im Flüssig- keits-Haltebereich befindliche Flüssigkeit 80 verschlossen. An exemplary embodiment of such a method will be described below with reference to the operation of the fluidic module 50 shown in FIG. 1 with reference to FIGS. 2A to 2E. FIGS. 2A to 2E show fluid operating states of the embodiment shown in FIG. 1 during the execution of the method. For the sake of clarity, the respective reference symbols of the fluidic structures are omitted in FIGS. 2A to 2E. In a first state, shown in Fig. 2A, liquid 80 is in the first chamber 52 upstream chamber 54 and in the connecting channel 56 between the upstream chamber 54 and the first chamber 52. In this case, a part of the upstream chamber 54 is radially closer to the center of rotation R than the siphon vertex 64 of the fluid guide channel. The liquid can be introduced, for example, via an inlet opening or via further upstream fluidic structures into the upstream chamber 54 and the connecting channel 56. The introduced liquid 80 encloses in the first chamber 52, the fluid paths 60 and 62 and the downstream fluid chamber 58 an air volume that is not vented (or vented only via a venting delay resistor). In other words, the fluid path 60, which constitutes a venting channel, is also closed to the atmosphere by the liquid 80 in the liquid holding region.
Wie in Fig. 2B gezeigt ist, wird nachfolgend die Flüssigkeit 80 zentrifugal induziert aus der vorgeschalteten Kammer 54 in die erste Kammer 52 transferiert, wobei das Gas in der ersten Kammer 52, den nachfolgenden Fluidstrukturen 58 sowie den Verbindungspfaden 60, 62 komprimiert wird, da die erste Kammer 52 in diesem Betriebszustand nicht entlüftet bzw. nur über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftet ist. Die vorgeschaltete Kammer 54 kann entlüftet sein, so dass in derselben Atmosphärendruck p0 herrschen kann. Gas wird dabei vorzugsweise über den Gasführungspfad 60 in die nachfolgenden Fluidstrukturen 58 transferiert. Die Fluidpfade 60, 62 zwischen erster Kammer 52 und nachfolgenden Fluidikstrukturen sind über die nachfolgenden Fluidikstrukturen miteinander verbunden, so dass sichergestellt ist, dass in den Fluidpfaden der gleiche pneumatische Überdruck herrscht. Gleichzeitig mit der Befüllung der ersten Kammer 52 kann auch der Flüssigkeitsführungspfad 62 mit Flüssigkeit befüllt werden, jedoch nicht bis zu dem Siphonscheitel 64. As shown in FIG. 2B, subsequently, the liquid 80 is centrifugally induced to transfer from the upstream chamber 54 into the first chamber 52, compressing the gas in the first chamber 52, the subsequent fluid structures 58, and the communication paths 60, 62 the first chamber 52 is not vented in this operating state or vented only via a venting delay resistor. The upstream chamber 54 may be vented, so that in the same atmospheric pressure p 0 can prevail. Gas is preferably transferred via the gas guide path 60 into the subsequent fluid structures 58. The fluid paths 60, 62 between the first chamber 52 and subsequent fluidic structures are connected to one another via the subsequent fluidic structures, so that it is ensured that the same pneumatic overpressure prevails in the fluid paths. Simultaneously with the filling of the first chamber 52 and the liquid guide path 62 can be filled with liquid, but not up to the siphon vertex 64th
Der sich aufbauende pneumatische Überdruck Δρ in der ersten Kammer 52 und den nachfolgenden Fluidstrukturen 58 wirkt der weiteren zentrifugal induzierten Befüllung der ersten Kammer 52 sowie der Befüllung des Fluidführungskanals 62 entgegen, so dass der Siphonscheitei 64 im Fluidführungskanal 62 nicht benetzt wird und die Flüssigkeit, die sich in der ersten Kammer 52 sowie in der der ersten Kammer 52 vorgeschalteten Kammer 54 befindet, zurückgehalten wird. Somit stellen diese Fluidikstrukturen einen Flüssigkeits- Haltebereich dar. The resulting pneumatic overpressure Δρ in the first chamber 52 and the subsequent fluid structures 58 counteracts the further centrifugally induced filling of the first chamber 52 and the filling of the fluid guide channel 62, so that the Siphonscheitei 64 is not wetted in the fluid guide channel 62 and the liquid is in the first chamber 52 and in the first chamber 52 upstream chamber 54 is retained. Thus, these fluidic structures constitute a liquid holding area.
Das Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitshaltebereich wird erreicht, indem
1) der Flüssigkeitstransfer in die erste Kammer 52 die hydrostatischen Höhe zwischen vorgeschalteter Kammer 54 und erster Kammer 52 verringert, wodurch sich der in Richtung der Befüllung der ersten Kammer 52 wirkende Zentrifugaldruck verringert, und The retention of the liquid in the liquid holding area is achieved by 1) the liquid transfer into the first chamber 52 reduces the hydrostatic height between the upstream chamber 54 and the first chamber 52, which reduces the centrifugal pressure acting in the direction of filling the first chamber 52, and
2) gleichzeitig der pneumatische Überdruck in den nachfolgenden Fluidik- strukturen mit fortschreitender Befüllung der ersten Kammer 52 steigt, so dass sich bei einer geeigneten Rotationsfrequenz der Kartusche ein Gleichgewicht zwischen den in Richtung der Befüllung des Flüssigkeitsführungspfads 62 wirkenden Drücken und den der Befüllung des Flüssigkeitsführungspfads entgegenwirkenden Drücken einstellt. Die entsprechende geeignete Rotationsfrequenz kann ohne weiteres abhängig von den verwendeten Geometrien und Flüssigkeitsmengen ermittelt werden. 2) at the same time the pneumatic overpressure in the subsequent Fluidik- structures with progressive filling of the first chamber 52 increases, so that at a suitable rotational frequency of the cartridge equilibrium between the forces acting in the direction of filling the liquid guide path 62 pressures and the filling of the liquid guide path counteracting Press adjusts. The corresponding suitable rotational frequency can readily be determined depending on the geometries and liquid quantities used.
Bei allen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kann bei geeigneter Wahl der Geometrien der Kammern und des Fluidführungskanals erreicht werden, dass Zentrifugaldruck und pneumatischer Überdruck gegenüber anderen Druckquellen wie z.B. dem Kapillardruck unter Berücksichtigung beliebiger Flüssigkeitseigenschaften und Kartuschenmaterialeigenschaften dominieren. Dies bedeutet, dass diese anderen Druckquellen nicht in der Lage sind, eine schaltvorgangsauslösende Abweichung von dem Befüllzustand des Flüssigkeitsführungspfads zu bewirken, der sich unter alleiniger Berücksichtigung des Gleichgewichts von pneumatischem Überdruck und Zentrifugaldruck ergibt. Dieses Gleichgewicht wird im Sinne der Erfindung auch verwirklicht, falls durch geringfügige gezielte Variationen der Prozessierungsbedingungen die beteiligten Drücke kontinuierlich variiert werden, wobei der qualitative Zustand der Zurückhaltung der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich (z.B. der ersten Kammer) nicht verlassen wird. Anders ausgedrückt kann während des Haltens der Flüssigkeit in einem quasi-stationären Gleichgewicht eine geringfügige Variation der Prozessierungsbedingungen erfolgen, ohne den Schaltvorgang auszulösen. In all the embodiments described herein, with a suitable choice of the geometries of the chambers and the fluid guide channel can be achieved that centrifugal pressure and pneumatic overpressure over other pressure sources such. capillary pressure, taking into account any fluid properties and cartridge material properties. This means that these other pressure sources are not able to cause a switching-triggering deviation from the Befüllzustand the liquid guide path, which results in the sole consideration of the balance of pneumatic pressure and centrifugal pressure. This equilibrium is also realized in accordance with the invention if, by slight targeted variations of the processing conditions, the pressures involved are varied continuously, leaving the qualitative state of retention of the liquid in the liquid holding region (e.g., the first chamber). In other words, while maintaining the liquid in a quasi-steady state equilibrium, a slight variation of the processing conditions may occur without initiating the switching operation.
Ausgehend vom in Fig. 2B gezeigten Gleichgewichtszustand kann der Schaltvorgang durch Erhöhung des Zentrifugaldrucks über die Schaltfrequenz bzw. den zentrifugalen Schaltdruck erreicht werden. Dies kann z.B. erreicht werden, indem Starting from the equilibrium state shown in Fig. 2B, the switching operation can be achieved by increasing the centrifugal pressure on the switching frequency or the centrifugal switching pressure. This can e.g. be achieved by
1) die Rotationsfrequenz erhöht wird oder 1) the rotation frequency is increased or
2) die hydrostatische Höhe durch Hinzufügen von Flüssigkeit in den vorausgehenden Fluidikstrukturen vergrößert wird.
Durch die Erhöhung des Zentrifugaldrucks wird weitere Flüssigkeit aus der der ersten Kammer 52 vorgeschalteten Kammer 54 in die erste Kammer transferiert, so dass sich der Füllstand in der ersten Kammer 52 und dem Flüssigkeitsführungspfad 62 erhöht und der Siphonscheitel 64 des Fluidführungskanals 62 befüllt wird, wie in Fig. 2C gezeigt ist. 2) the hydrostatic height is increased by adding liquid in the preceding fluidic structures. By increasing the centrifugal pressure, further liquid from chamber 54 upstream of first chamber 52 is transferred to the first chamber so that the level in first chamber 52 and liquid guide path 62 increases and siphon vertex 64 of fluid guide channel 62 is filled, as in FIG Fig. 2C is shown.
Alternativ kann der Schaltvorgang durch eine Verringerung des pneumatischen Überdrucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen erreicht werden, so dass bei gleichbleibender Rotationsfrequenz Flüssigkeit pneumatisch induziert aus der vorgeschalteten Kammer 54 in die erste Kammer 52 transferiert wird und dadurch der Siphonscheitel 64 des Flüs- sigkeitsführungspfads 62 befüllt wird. Die Verringerung des pneumatischen Überdrucks kann dabei z.B. durch eine Verringerung der Temperatur in den nachfolgenden Fluidikstrukturen, durch eine Vergrößerung des Volumens der nachfolgenden Fluidikstrukturen oder eine Verringerung der Gasmenge in den nachfolgenden Fluidikstrukturen erreicht werden. Letzteres kann über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand, beispielsweise den in Fig. 1 gezeigten Entlüftungs-Verzögerungswiderstand 66, geschehen. Alternatively, the switching operation can be achieved by reducing the pneumatic overpressure in the subsequent fluidic structures, so that liquid is induced pneumatically induced from the upstream chamber 54 into the first chamber 52 and the siphon apex 64 of the liquid guide path 62 is filled at a constant rotational frequency. The reduction of the pneumatic overpressure may e.g. by reducing the temperature in the subsequent fluidic structures, by increasing the volume of the subsequent fluidic structures, or by reducing the amount of gas in the subsequent fluidic structures. The latter can be done via a venting delay resistor, for example the venting delay resistor 66 shown in FIG.
In der Folge einer der beschriebenen schaltauslösenden Prozessbedingungsveränderun- gen oder einer Kombination derselben befüllt sich der radial nach außen verlaufende Teil des siphonförmigen Kanals 64 im Flüssigkeitsführungspfad 62, wodurch die hydrostatische Höhe in diesem Kanal steigt. Der aus der hydrostatischen Höhe zwischen erster Kammer 52 und nachfolgenden Fluidikstrukturen resultierende Zentrifugaldruck führt zum Flüssigkeitstransfer von der ersten Kammer 52 in die nachfolgenden Fluidikstrukturen, wie in den Figuren 2C bis 2E gezeigt ist. As a result of one of the described triggering process condition variations, or a combination thereof, the radially outwardly extending portion of the siphoned channel 64 fills in the liquid guide path 62, thereby increasing the hydrostatic head in that channel. The centrifugal pressure resulting from the hydrostatic head between the first chamber 52 and subsequent fluidic structures results in fluid transfer from the first chamber 52 to the subsequent fluidic structures, as shown in Figures 2C through 2E.
Während des Flüssigkeitstransfers wird Gas aus den nachfolgenden Fluidikstrukturen über den mindestens einen Gasführungspfad 60 in die erste Kammer 52 transferiert, wodurch dem Aufbau eines zusätzlichen pneumatischen Überdrucks in der Folge des Flüssigkeitstransfers in die nachfolgenden Fluidikstrukturen entgegengewirkt wird, siehe Fig. 2D. Dadurch kann ein vollständiger Transfer der Flüssigkeit aus der ersten Kammer 52 in die nachfolgenden Fluidikstrukturen bei einer festen Rotationsfrequenz oberhalb der Schaltfrequenz erreicht werden, wie in Fig. 2E gezeigt ist. Nach dem vollständigen Transfer der Flüssigkeit in die nachgeschaltete Fluidkammer können sich die Fluidikstrukturen auf Atmosphärendruck po befinden.
Der Schaltdruck und die damit verbundene Rotationsfrequenz der Kartusche (Schaltfrequenz) kann durch geeignete Wahl der Positionen und Geometrien der Kammern und der Fluidführungspfade in einem weiten Bereich gewählt werden. During the liquid transfer, gas from the subsequent fluidic structures is transferred via the at least one gas guide path 60 into the first chamber 52, which counteracts the build-up of an additional pneumatic overpressure in the sequence of fluid transfer into the subsequent fluidic structures, see FIG. 2D. Thereby, a complete transfer of the liquid from the first chamber 52 into the subsequent fluidic structures at a fixed rotational frequency above the switching frequency can be achieved, as shown in Fig. 2E. After complete transfer of the liquid into the downstream fluid chamber, the fluidic structures may be at atmospheric pressure po. The switching pressure and the associated rotation frequency of the cartridge (switching frequency) can be selected by a suitable choice of the positions and geometries of the chambers and the fluid guide paths in a wide range.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele näher erläutert. Aufgrund der Abhängigkeiten zwischen Struktur und Verfahren werden für die Ausführungsbeispiele jeweils die besonderen Merkmale und die Besonderheiten des aus den Merkmalen resultierenden Verfahrens gemeinsam angegeben. Dort wo sich bei der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele Bescheibungsteile wiederholen würden, sind diese teilweise weggelassen, so dass Beschreibungsteile Ausführungsbeispiel-übergreifend gelten können. Obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele zum Teil jeweils nur einen Flu- idpfad zwischen vorausgehenden Fluidikstrukturen und erster Kammer sowie nur einen Flüssigkeitsführungspfad und einen Gasführungspfad zwischen erster Kammer und den nachfolgenden Fluidikstrukturen zeigen, bedeutet dies keine Einschränkung der Zahl der möglichen Verbindungspfade zwischen den Fluidikstrukturen im Rahmen der Erfindung und dient lediglich der Vereinfachung der Beschreibung der Ausführungsbeispiele. In the following, further embodiments will be explained in more detail. Due to the dependencies between structure and method, the particular features and the peculiarities of the method resulting from the features are specified together for the exemplary embodiments. Where Bescheibungsteile would be repeated in the description of the various embodiments, these are partially omitted, so that description parts can apply across embodiments. Although the described embodiments in part only each show a fluid path between preceding fluidic structures and the first chamber and only one liquid guide path and a gas guide path between the first chamber and the subsequent fluidic structures, this does not limit the number of possible connection paths between the fluidic structures within the scope of the invention and merely serves to simplify the description of the embodiments.
Fig. 3A zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel von Fluidikstrukturen eines Fluidikmo- duls 50, bei denen im quasistationären Gleichgewichtszustand, der in Fig. 3B gezeigt ist, die vollständige erste Fluidkammer 52 mit Flüssigkeit 80 gefüllt ist. FIG. 3A schematically shows an exemplary embodiment of fluidic structures of a fluidic module 50 in which the complete first fluid chamber 52 is filled with fluid 80 in the quasi-stationary equilibrium state, which is shown in FIG. 3B.
Bei dem in Fig. 3A gezeigten Ausführungsbeispiel weisen sowohl der Flüssigkeitsführungspfad 62 als auch der Gasführungspfad 60 einen siphonförmigen Kanal auf. Wiederum ist eine vorgeschaltete Kammer 54 über einen Verbindungskanal 56, der in ein radial äußeres Ende 90 der vorgeschalteten Kammer 54 mündet, mit der ersten Kammer 52 fluidisch verbunden. Der Flüssigkeitsführungspfad 62 und der Gasführungspfad 60 können wie bei dem Bezug nehmend auf Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel in die erste Kammer 52 und die nachgeschaltete Kammer 58 münden. Der Siphonscheitel 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 ist radial innerhalb des radial innersten Punkts der ersten Kammer angeordnet, und ein Siphonscheitel 92 des Siphonkanals des Gasführungspfads 60 kann vorzugsweise radial innerhalb des Siphonscheitels 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 liegen. Die nachfolgenden Fluidikstrukturen weisen bei diesem Ausführungsbeispiel neben der nachgeschalteten Fluidkammer 58, die ein Flüssigkeitsaufnahmevolumen bzw. eine Flüssigkeitsaufnahmekammer darstellt, ein weiteres, davon getrenntes Volumen 94 auf. Der Anschlusspunkt des Gasführungspfads 60 an das Flüssigkeitsaufnahmevolumen 58 (bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der radial innerste
Punkt des Flüssigkeitsaufnahmevolumens 58) kann sich vorzugsweise näher am Rotationszentrum R der Kartusche befinden als der radial äußerste Punkt des Flüssigkeitsaufnahmevolumens 58, wodurch sich eine Benetzung des Anschlusspunkts 70 des Gasführungspfads 60 mit der während des Schaltvorgangs transferierten Flüssigkeit 80 unter dem Einfluss der während des Transfers herrschenden Zentrifugalkraft verhindern lässt. Das optionale von dem Flüssigkeitsaufnahmevolumen 52 getrennte Volumen 94 vergrößert gezielt das Volumen der nachfolgenden Fluidikstrukturen, wodurch sich bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der pneumatische Überdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen verringern lässt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zusätzliche Volumen 94 über einen Fluidpfad 96 mit dem Gasführungspfad 60 gekoppelt. Der Fluidpfad 96 mündet an einer Mündungsstelle 98 in den Gasführungspfad 60 und an einer Mündungsstelle 100 in das zusätzliche Volumen 94. In the embodiment shown in FIG. 3A, both the liquid guide path 62 and the gas guide path 60 have a siphon-shaped channel. Again, an upstream chamber 54 via a connecting channel 56 which opens into a radially outer end 90 of the upstream chamber 54, fluidly connected to the first chamber 52. The liquid guide path 62 and the gas guide path 60 may open into the first chamber 52 and the downstream chamber 58 as in the embodiment described with reference to FIG. The siphon apex 64 of the liquid guide path 62 is disposed radially within the radially innermost point of the first chamber, and a siphon apex 92 of the siphon channel of the gas guide path 60 may preferably be radially inwardly of the siphon apex 64 of the liquid guide path 62. The following fluidic structures in this embodiment, in addition to the downstream fluid chamber 58, which is a fluid receiving volume and a fluid receiving chamber, another, separate volume 94 on. The point of connection of the gas guide path 60 to the liquid receiving volume 58 (in the embodiment shown, the radially innermost Preferably, the point of fluid receiving volume 58) may be closer to the center of rotation R of the cartridge than the radially outermost point of the fluid receiving volume 58, thereby wetting the port 70 of the gas routing path 60 with the fluid 80 transferred during the shift under the influence of the transfer during the transfer Prevent centrifugal force. The optional volume 94, which is separate from the liquid receiving volume 52, specifically increases the volume of the subsequent fluidic structures, as a result of which the pneumatic overpressure in the subsequent fluidic structures can be reduced when carrying out the method according to the invention. In the embodiment shown, the additional volume 94 is coupled to the gas routing path 60 via a fluid path 96. The fluid path 96 opens at an orifice 98 into the gas guide path 60 and at an orifice 100 into the additional volume 94.
Bei dem in den Fig. 3A bis 3D gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die vorangehenden Fluidikstrukturen die Kammer 54 auf, deren Volumen vorzugsweise einen Bruchteil des Volumens der ersten Kammer 52 umfasst, und die mit der ersten Kammer 52 durch den Fluidpfad 56 verbunden ist, dessen Anschlusspunkt 90 an die vorgeschaltete Kammer 54 näher am Rotationszentrum R der Kartusche liegt als der Scheitel des Siphons 64 im Flüssigkeitsführungspfad 62. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann das Volumen der Kammer 54 auch größer als das Volumen der ersten Kammer 52 sein. Die Kammer 54 kann wiederum entlüftet sein und sich auf atmosphärischem Druck befinden. Der Anschlusspunkt 57 des Fluidverbindungspfads 56 zwischen vorausgehender Kammer 54 und erster Kammer 52 kann dabei an einer beliebigen Stelle der ersten Kammer 52 liegen und muss nicht in einem radial äußeren Bereich derselben angeordnet sein. In the embodiment shown in FIGS. 3A to 3D, the foregoing fluidic structures comprise the chamber 54, the volume of which preferably comprises a fraction of the volume of the first chamber 52, and which is connected to the first chamber 52 through the fluid path 56, its connection point 90 to the upstream chamber 54 closer to the center of rotation R of the cartridge than the apex of the siphon 64 in the liquid guide path 62. In alternative embodiments, the volume of the chamber 54 may be greater than the volume of the first chamber 52. The chamber 54 may in turn be vented and at atmospheric pressure. The connection point 57 of the fluid connection path 56 between the preceding chamber 54 and the first chamber 52 can lie at any desired point of the first chamber 52 and need not be arranged in a radially outer region thereof.
Das in den Figuren 3A bis 3D gezeigte Ausführungsbeispiel eines pneumatischen Gegendruck-Siphonventils ist zur Kompression des vollen Volumens der ersten Kammer ausgelegt. Fig. 3B zeigt dabei einen Betriebszustand, bei dem ein Gleichgewicht zwischen pneumatischem Überdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen und den Drücken in Richtung der Befüllung der nachfolgenden Fluidikstrukuren vorliegt. Fig. 3C zeigt einen Betriebszustand, bei dem die Flüssigkeit aus der ersten Kammer in die nachfolgenden Fluidikstrukturen transferiert wird, und Fig. 3D einen Betriebszustand nach Abschluss des Flüssigkeitstransfers. The embodiment of a pneumatic counter-pressure siphon valve shown in FIGS. 3A to 3D is designed to compress the full volume of the first chamber. 3B shows an operating state in which there is a balance between pneumatic overpressure in the subsequent fluidic structures and the pressures in the direction of the filling of the subsequent fluidic structures. 3C shows an operating state in which the liquid is transferred from the first chamber into the subsequent fluidic structures, and FIG. 3D shows an operating state after completion of the liquid transfer.
Im Betrieb wird Flüssigkeit 80 über die vorgeschalteten Fluidikstrukturen in die erste Flu- idkammer 52 eingebracht. Die Fluidikstrukturen sind dabei derart ausgelegt, dass die ers-
te Fluidkammer 52 vollständig mit der Flüssigkeit 80 gefüllt wird. Durch die eingebrachte Flüssigkeit wird dabei ein Gasvolumen in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen eingeschlossen. In Fig. 3B ist der entsprechende Zustand dargestellt, in dem die Flüssigkeit 80 in der ersten Kammer 52 zurückgehalten wird. Die Kartusche bzw. das Fluidikmodul kann sich dabei in Rotation mit einer Rotationsfrequenz ωι befinden. Es befindet sich Flüssigkeit in der Kammer 54 der vorausgehenden Fluidikstrukturen, der ersten Fluidkammer 52 und den radial nach innen verlaufenden Abschnitten des Flüssigkeitsführungspfads 62 und des Gasführungspfads 60. Aufgrund der hydrostatischen Höhendifferenz zwischen dem Flüssigkeitsmeniskus in den vorausgehenden Fluidikstrukturen und Menisken 102, 104 in den Fluidverbindungspfaden 60 und 62 wirkt ein Zentrifugaldruck in Richtung der Befüllung der Fluidverbindungspfade 60 und 62. Die Drücke, die der Befüllung des Siphons mit größerem radialen Abstand vom Drehzentrum R (also dem Siphon im Flüssig- keitsführungspfad 62) entgegenwirken (pneumatischer Überdruck Δρ und ggf. andere wie Drücke, z.B. Kapillardruck) stehen im Gleichgewicht mit den Drücken die in Richtung der Befüllung dieses Siphons wirken (Zentrifugaldruck und ggf. andere). Dadurch befindet sich die Flüssigkeit in einem quasistationären Gleichgewicht. In operation, liquid 80 is introduced into the first fluid chamber 52 via the upstream fluidic structures. The fluidic structures are designed such that the first te fluid chamber 52 is completely filled with the liquid 80. The introduced liquid encloses a gas volume in the downstream fluidic structures. In Fig. 3B, the corresponding state is shown, in which the liquid 80 is retained in the first chamber 52. The cartridge or the fluidic module can be in rotation with a rotational frequency ωι. There is liquid in the chamber 54 of the preceding fluidic structures, the first fluid chamber 52, and the radially inward portions of the fluid guide path 62 and the gas guide path 60. Due to the hydrostatic head difference between the fluid meniscus in the preceding fluidic structures and menisci 102, 104 in the fluid communication paths 60 and 62, a centrifugal pressure acts in the direction of filling the fluid communication paths 60 and 62. The pressures that counteract the filling of the siphon with a greater radial distance from the center of rotation R (ie the siphon in Flüssigkeitssführungspfad 62) (pneumatic overpressure Δρ and possibly others such as pressures, eg capillary pressure) are in equilibrium with the pressures acting in the direction of filling this siphon (centrifugal pressure and possibly other). As a result, the liquid is in a quasi-steady state equilibrium.
Durch die Position der Flüssigkeitsmenisken 102, 104 in den Fluidverbindungspfaden 60, 62 lässt sich erreichen, dass die beschriebene Struktur zur Abmessung der Flüssigkeitsmenge in der ersten Kammer 52 und den Fluidverbindungspfaden genutzt werden kann, wobei eine hohe Genauigkeit des abgemessenen Volumens erreicht werden kann. The location of the liquid menisci 102, 104 in the fluid communication paths 60, 62 makes it possible to utilize the described structure to measure the amount of fluid in the first chamber 52 and fluid communication paths, with high accuracy of the metered volume.
Ausgehend von dem in Fig. 3B gezeigten Zustand kann durch eine Erhöhung der Rotationsfrequenz auf einen Wert >
was zu einer Erhöhung des Zentrifugaldrucks in Richtung der nachfolgenden Fluidikstrukturen führt, oder aber durch Verringerung des Gegendrucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen, der Siphonscheitel 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 befüllt werden. Die Flüssigkeit kann dann in der Folge durch die wirkende Zentrifugalkraft aus der ersten Kammer 52 in das Flüssigkeitsaufnahmevolumen 58 transferiert werden, wie in Fig. 3C gezeigt ist. Während dieses Prozesses wird das Gas aus der Flüssigkeitsaufnahmekammer 58 über den Gasführungspfad 60 in die erste Kammer 52 transferiert, wodurch einer Erhöhung des pneumatischen Überdrucks in der Flüssigkeitsaufnahmekammer 58 entgegengewirkt wird. Während dieses Flüssigkeitstransfers bleibt das Gasvolumen zunächst in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen und der ersten Kammer eingeschlossen, so dass in diesen jeweils ein pneumatischer Überdruck Δρ herrscht, wie in Fig. 3C angedeutet ist. Nach Abschluss des Flüssigkeitstransfers findet ein Ausgleich des pneumatischen Überdrucks der nachfolgenden Fluidikstrukturen und
der ersten Kammer mit den vorausgehenden Fluidikstrukturen über den Verbindungskanal 56 statt. Nach dem Flüssigkeitstransfer befinden sich die Fluidikstrukturen auf atmosphärischem Druck po, wie in Fig. 3D gezeigt ist. Starting from the state shown in FIG. 3B, increasing the rotation frequency to a value> which leads to an increase in the centrifugal pressure in the direction of the subsequent fluidic structures, or else by filling the backpressure in the subsequent fluidic structures, the siphon apex 64 of the liquid guide path 62 can be filled. The liquid may then be sequentially transferred from the first chamber 52 into the liquid receiving volume 58 by the acting centrifugal force, as shown in Fig. 3C. During this process, the gas is transferred from the liquid receiving chamber 58 via the gas guide path 60 into the first chamber 52, whereby an increase in the pneumatic overpressure in the liquid receiving chamber 58 is counteracted. During this liquid transfer, the gas volume initially remains trapped in the downstream fluidic structures and the first chamber, so that in each case a pneumatic overpressure .DELTA.p prevails, as indicated in Fig. 3C. After completion of the liquid transfer is a compensation of the pneumatic overpressure of the subsequent fluidic and the first chamber with the preceding fluidic structures via the connecting channel 56 instead. After fluid transfer, the fluidic structures are at atmospheric pressure po, as shown in FIG. 3D.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die Figuren 4A bis 4D ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem ein Kompressionskammervolumen im Gasführungspfad vorgesehen ist. An embodiment in which a compression chamber volume is provided in the gas guide path will be described below with reference to FIGS. 4A to 4D.
Fig. 4A zeigt in einem Fluidikmodul 50 gebildete Fluidikstrukturen, die einen Einlasskanal 110, eine erste Fluidkammer 52, einen Flüssigkeitsführungspfad 62, einen Gasführungspfad 60, eine nachgeschaltete Fluidkammer 58 und eine in dem Gasführungspfad 60 angeordnete Volumenkammer 112 aufweisen. Der Einlasskanal 110 kann wiederum mit einer vorgeschalteten Kammer (in Fig. 4A nicht gezeigt) fluidisch gekoppelt sein. Somit kann wiederum eine fluidische Verbindung zu vorausgehenden Fluidikstrukturen durch den Kanal 1 10 gegeben sein, dessen Anschlusspunkt an die erste Fluidkammer 52 radial innerhalb des Siphonscheitels 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 liegt. Nachgeschaltete Fluidikstrukturen sind wiederum durch die nachgeschaltete Fluidkammer 58 gebildet, die eine Flüssigkeitsaufnahmekammer darstellt. 4A shows fluidic structures formed in a fluidic module 50, which have an inlet channel 110, a first fluid chamber 52, a liquid guide path 62, a gas guide path 60, a downstream fluid chamber 58 and a volume chamber 112 arranged in the gas guide path 60. The inlet channel 110 may in turn be fluidly coupled to an upstream chamber (not shown in FIG. 4A). Thus, in turn, a fluidic connection to previous fluidic structures may be provided through the channel 110 having its point of attachment to the first fluid chamber 52 radially inward of the siphon apex 64 of the fluid guide path 62. Downstream Fluidikstrukturen are in turn formed by the downstream fluid chamber 58, which is a fluid receiving chamber.
Die Flüssigkeitsaufnahmekammer 58 ist an einem Mündungspunkt mit dem Gasführungspfad 60 verbunden. Der Mündungspunkt liegt vorzugsweise nicht an der radial äußersten Position der Flüssigkeitsaufnahmekammer 58, beispielsweise in einem radial inneren Bereich derselben oder an der radial innersten Position 70. Die Flüssigkeitsaufnahmekammer 58 ist ferner mit dem Flüssigkeitsführungspfad 62 fluidisch verbunden, vorzugsweise radial außerhalb der Anschlussposition 72 zwischen dem Flüssigkeitsführungspfad 62 und der ersten Fluidkammer 52. Der Flüssigkeitsführungspfad 62 kann an einer radial äußeren Position, beispielsweise an der radial äußersten Position 74, in die Flüssigkeitsaufnahmekammer 58 münden. The liquid receiving chamber 58 is connected to the gas guide path 60 at a mouth point. The orifice point is preferably not at the radially outermost position of the fluid receiving chamber 58, for example, in a radially inner portion thereof or at the radially innermost position 70. The fluid receiving chamber 58 is also fluidically connected to the fluid guide path 62, preferably radially outward of the port position 72 between the fluid guide path 62 and the first fluid chamber 52. The fluid guide path 62 may open at a radially outer position, for example at the radially outermost position 74, into the fluid receiving chamber 58.
Bei dem in Fig. 4A gezeigten Ausführungsbeispiel mündet der Flüssigkeitsaufnahmepfad 62 in einem radial äußeren Bereich, beispielsweise der radial äußersten Position 72, in die erste Fluidkammer 52, und der Gasführungspfad 60 mündet ebenfalls an einer radial äußeren Position, beispielsweise der radial äußersten Position 116 des in Fig. 4A linken Bereichs der ersten Fluidkammer 52, in die erste Fluidkammer 52. Der Gasführungspfad 60 weist einen Siphon-Kanal auf, dessen Siphonscheitel 92 radial innerhalb des Siphonscheitels 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 liegt. Die Volumenkammer 112, die auch
als Teilkompressionskammer bezeichnet werden kann, ist in dem radial ansteigenden Teil des Siphon-Kanals des Gasführungspfads 60 angeordnet, wobei der Gasführungspfad 60 an Mündungspunkten 118 und 120 in die Teilkompressionskammer 112 mündet. Die Teilkompressionskammer 112 befindet sich vorzugsweise auf einer größeren radialen Distanz vom Drehzentrum als der Siphonscheitel 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62. Die Teilkompressionskammer 112 kann durch einen Teil des Gasführungspfads 60 mit der ersten Fluidkammer 52 verbunden sein, wobei der Verbindungspunkt, an dem dieser Teil des Gasführungspfades in die Teilkompressionskammer 112 mündet, vorzugsweise radial weiter vom Drehzentrum entfernt ist als der Siphonscheitel 64 des Fluidführungspfads 62. Der Mündungspunkt 120 kann dann mit den nachgeschalteten Fluidikstrukturen über den Siphon-Kanal des Gasführungspfads 60, der den Siphonscheitel 92 aufweist, verbunden sein. In the embodiment shown in FIG. 4A, the liquid receiving path 62 opens into the first fluid chamber 52 in a radially outer region, such as the radially outermost position 72, and the gas guide path 60 also opens at a radially outer position, such as the radially outermost position 116 of FIG In FIG. 4A, the left-hand area of the first fluid chamber 52, into the first fluid chamber 52. The gas-guidance path 60 has a siphon channel, the siphon apex 92 of which lies radially inside the siphon apex 64 of the liquid guide path 62. The volume chamber 112, too may be referred to as a partial compression chamber is disposed in the radially rising portion of the siphon channel of the gas guide path 60, wherein the gas guide path 60 opens into the partial compression chamber 112 at mouth points 118 and 120. The partial compression chamber 112 is preferably located at a greater radial distance from the center of rotation than the siphon vertex 64 of the liquid guide path 62. The partial compression chamber 112 may be connected to the first fluid chamber 52 through a portion of the gas routing path 60, the junction at which that portion of the gas routing path is in the sub-compression chamber 112 opens, preferably radially further away from the center of rotation than the siphon vertex 64 of the fluid routing path 62. The orifice point 120 can then be connected to the downstream fluidic structures via the siphon channel of the gas routing path 60 having the siphon apex 92.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung von Fluidikstrukturen, wie sie in Fig. 4A gezeigt sind, wird nun Bezug nehmend auf die Fig. 4B bis 4D beschrieben. Zunächst kann zentrifugal induziert Flüssigkeit aus vorhergeschalteten Fluidikstrukturen (nicht gezeigt) über den Einlasskanal 110 in die erste Fluidkammer 52 transferiert werden. Unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft befüllt die Flüssigkeit 80 die erste Kammer von der radial außen liegenden Seite in Richtung zu der radial innen liegenden Seite. Dadurch werden die Fluidpfade 60 und 62, die die erste Fluidkammer 52 mit den nachfolgenden Fluidikstrukturen, beispielsweise der nachgeschalteten Fluidkammer 58, verbinden, befüllt und Gas (in der Regel Luft) durch die Flüssigkeit 80 in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen und den Fluidverbindungspfaden 60 und 62 eingeschlossen. Durch den Anstieg der hydrostatischen Höhe zwischen dem Flüssigkeitsmeniskus 122 in der ersten Fluidkammer 52 und den Menisken 102, 104 in den Fluidverbindungspfaden 60 und 62 wird unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft Flüssigkeit in die Teilkompressionskammer 112 transferiert, wodurch das in dieser vorliegende Gas in die nachfolgenden Fluidikstrukturen verdrängt wird. Dadurch wird in diesen ein pneumatischer Überdruck Δρ erzeugt, der einer weiteren Befüllung der Fluidverbindungspfade 60 und 62 entgegenwirkt. Es bildet sich ein Gleichgewicht zwischen den Drücken in Richtung und entgegen der Befüllung der Fluidpfade 60 und 62 aus, in dem der Siphonscheitel 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 nicht benetzt ist und der Meniskus 122 der Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 52 radial innerhalb des Siphonscheitels 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 liegt. Dieser Betriebszustand ist in Fig. 4B gezeigt. Durch die Flüssigkeit 80 ist ein Gasvolumen in den Fluidpfaden 60, 62 und den nachgeschalteten Fluidikstrukturen 58 eingeschlossen, in dem der pneumatische Überdruck Δρ erzeugt wird. Da die erste
Fluidkammer 52 entlüftet ist, befindet sich der Bereich der ersten Fluidkammer 52 oberhalb des Flüssigkeitsmeniskus 122 auf Atmosphärendruck po. An exemplary embodiment of a method according to the invention using fluidic structures, as shown in FIG. 4A, will now be described with reference to FIGS. 4B to 4D. First, fluid from pre-switched fluidic structures (not shown) centrifugally induced may be transferred into the first fluid chamber 52 via the inlet channel 110. Under the influence of the centrifugal force, the liquid 80 fills the first chamber from the radially outer side toward the radially inner side. Thereby, the fluid paths 60 and 62 connecting the first fluid chamber 52 to the subsequent fluidic structures, such as the downstream fluid chamber 58, are filled and gas (typically air) trapped by the fluid 80 in the downstream fluidic structures and fluid communication paths 60 and 62 , The increase in the hydrostatic head between the liquid meniscus 122 in the first fluid chamber 52 and the menisci 102, 104 in the fluid communication paths 60 and 62 transfers liquid into the subcompression chamber 112 under the influence of centrifugal force, thereby injecting the gas present therein into the subsequent fluidic structures is displaced. As a result, a pneumatic overpressure Δρ is generated in the latter, which counteracts further filling of the fluid connection paths 60 and 62. A balance is formed between the pressures toward and against the filling of the fluid paths 60 and 62 in which the siphon apex 64 of the liquid guide path 62 is not wetted and the meniscus 122 of the liquid in the first fluid chamber 52 radially within the siphon apex 64 of the liquid guide path 62 is located. This operating state is shown in FIG. 4B. The liquid 80 encloses a gas volume in the fluid paths 60, 62 and the downstream fluidic structures 58, in which the pneumatic overpressure Δρ is generated. Because the first Fluid chamber 52 is vented, the area of the first fluid chamber 52 above the liquid meniscus 122 is at atmospheric pressure po.
Durch eine geeignete Wahl des Teilkompressionsvolumens 112 und der Volumina der nachgeschalteten Fluidikstrukturen kann der im Gleichgewicht in den nachfolgenden Flu- idikstrukturen herrschende pneumatische Überdruck Δρ weitgehend frei gewählt werden. By a suitable choice of the partial compression volume 112 and the volumes of the downstream fluidic structures, the pneumatic overpressure Δρ which prevails in equilibrium in the following fluidic structures can be selected largely freely.
Durch eine Erhöhung der Rotationsfrequenz kann ausgehend von dem in Fig. 4B gezeigten Betriebszustand der Zentrifugaldruck in Richtung der Befüllung des Flüssigkeitsfüh- rungspfads 62 erhöht werden, wodurch der Siphonscheitel 64 des Flüssigkeitsführungs- pfads 62 befüllt und ein zentrifugal induzierter Transfer der Flüssigkeit in die nachfolgenden Fluidikstrukturen 58 in Gang gesetzt wird. Bei Ausführungsbeispielen weist die Teilkompressionskammer 112 ein geringeres Flüssigkeitsvolumen auf als die erste Fluidkammer 52. Aufgrund des Flüssigkeitstransfers aus der ersten Fluidkammer 52 in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen über den Flüssigkeitsführungspfad 62 wird im eingeschlossenen Volumen der nachfolgenden Fluidstrukturen ein zusätzlicher pneumatischer Überdruck aufgebaut, der zu einem Transfer der Flüssigkeit aus der Teilkompressionskammer 112 in die erste Fluidkammer 52 führt. Sobald der pneumatische Überdruck Δρ in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen den hydrostatischen Druck übersteigt, der in der ersten Fluidkammer 52 auf den Gasführungspfad 60 wirkt, wird Gas aus den nachfolgenden Fluidikstrukturen 58 über den Gasführungspfad 60 in die erste Fluidkammer 52 und durch die Flüssigkeit transferiert, wobei dieser Betriebszustand in Fig. 4C gezeigt ist. Der Betriebszustand nach Abschluss des Flüssigkeitstransfers ist in Fig. 4D gezeigt. By increasing the rotational frequency, starting from the operating state shown in FIG. 4B, the centrifugal pressure in the direction of filling the liquid guide path 62 can be increased, whereby the siphon vertex 64 of the liquid guide path 62 fills and a centrifugally induced transfer of the liquid into the subsequent fluidic structures 58 is set in motion. In embodiments, the partial compression chamber 112 has a smaller volume of fluid than the first fluid chamber 52. Due to the fluid transfer from the first fluid chamber 52 into the downstream fluidic structures via the fluid guide path 62, an additional pneumatic overpressure is built up in the trapped volume of the subsequent fluid structures, resulting in transfer of fluid Liquid from the partial compression chamber 112 into the first fluid chamber 52 leads. As soon as the pneumatic overpressure Δρ in the downstream fluidic structures exceeds the hydrostatic pressure acting on the gas guide path 60 in the first fluid chamber 52, gas is transferred from the subsequent fluidic structures 58 via the gas guide path 60 into the first fluid chamber 52 and through the fluid Operating state shown in Fig. 4C. The operating state after completion of the liquid transfer is shown in Fig. 4D.
Bezug nehmend auf die Fig. 5A bis 5D wird nun ein Ausführungsbeispiel mit Anschluss- positionsvariationen der Fluidpfade beschrieben. Die in Fig. 5A gezeigten Fluidikstrukturen demonstrieren eine mögliche Auswahl an Variationsmöglichkeiten bei der Wahl der Anschlusspositionen zwischen der ersten Fluidkammer 52 und den Fluidverbindungspfa- den 60 und 62, sowie bei der Ausgestaltung des Gasführungspfads 60 und der Anschlüsse zwischen den Fluidverbindungspfaden 60 und 62 und den nachgeschalteten Fluidikstrukturen 58. Referring now to Figs. 5A to 5D, an embodiment with connection position variations of the fluid paths will now be described. The fluidic structures shown in FIG. 5A demonstrate a possible range of possible variations in the choice of port locations between the first fluid chamber 52 and the fluid communication paths 60 and 62, as well as the design of the gas routing path 60 and the ports between the fluid communication paths 60 and 62 and FIG downstream fluidic structures 58.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Anschlussposition 130 zwischen den vorausgehenden Fluidikstrukturen (beispielsweise dem Einlasskanal 110 und der vorgeschalteten Fluidkammer 54) und der ersten Fluidkammer 52 an einer frei wählbaren Position der ersten Fluidkammer 52 liegen. Dasselbe trifft auf Anschlusspositionen 132, 134 der Verbin-
dungspfade 60, 62 zwischen erster Fluidkammer 52 und nachfolgenden Fluidikstrukturen 58 an die erste Fluidkammer 52 zu. In dem Fall, dass eine Teilkompressionskammer 112 im Gasführungspfad 60 vorhanden ist, können die Verbindungspunkte 132 und 118 der Anschlüsse zwischen erster Fluidkammer 52 und Teilkompressionskammer 112 und die Verbindungspunkte 120, 136 zwischen der Teilkompressionskammer 112 und den nachfolgenden Fluidikstrukturen 58 ebenfalls frei gewählt werden. Vorzugsweise liegt der Mündungspunkt 136 des Gasführungspfads 60 in die nachgeschaltete Fluidkammer 58, das heißt das Flüssigkeitszielvolumen, nicht an der radial äußersten Position des Flüssigkeitszielvolumens. Weiterhin kann die Anschlussposition 138 des Flüssigkeitsführungs- pfads 62 in die nachgeschaltete Fluidkammer 58 frei gewählt werden. Die Anschlussposition 134 liegt vorzugsweise in einem radial äußeren Bereich der ersten Fluidkammer 52, da die erste Fluidkammer 52 nur bis zu dieser Anschlussposition über dem Flüssigkeits- führungspfad 62 entleert werden kann. In embodiments, the port position 130 between the preceding fluidic structures (eg, the inlet port 110 and the upstream fluid chamber 54) and the first fluid chamber 52 may be at a freely selectable position of the first fluid chamber 52. The same applies to connection positions 132, 134 of the connection tion paths 60, 62 between the first fluid chamber 52 and subsequent fluidic structures 58 to the first fluid chamber 52 to. In the event that a partial compression chamber 112 is present in the gas guide path 60, the connection points 132 and 118 of the connections between the first fluid chamber 52 and the partial compression chamber 112 and the connection points 120, 136 between the partial compression chamber 112 and the subsequent fluidic structures 58 can also be freely selected. Preferably, the mouth point 136 of the gas guide path 60 is in the downstream fluid chamber 58, that is, the liquid target volume, not at the radially outermost position of the liquid target volume. Furthermore, the connection position 138 of the Flüssigkeitsführungs- path 62 can be freely selected in the downstream fluid chamber 58. The connection position 134 is preferably located in a radially outer region of the first fluid chamber 52, since the first fluid chamber 52 can be emptied only up to this connection position above the liquid guide path 62.
Anhand der Fig. 5B bis 5D wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand des Betriebs unter Verwendung der in Fig. 5A gezeigten Fluidikstrukturen erläutert. Zunächst wird Flüssigkeit aus den vorgeschalteten Fluidikstrukturen, beispielsweise der vorgeschalteten Kammer 54 zentrifugal induziert in die erste Fluidkammer 52 und die damit verbundenen Fluidverbindungspfade 60 und 62 transferiert. Dabei steigt der Füllstand der ersten Fluidkammer 52 in radialer Richtung kontinuierlich vom radial äußersten Punkt derselben hin zu radial weiter innen liegenden Positionen. Während des Befüll- prozesses wird das in der ersten Fluidkammer 52 befindliche Gas durch die einströmende Flüssigkeit 80 verdrängt, wodurch Gas in die noch nicht durch Flüssigkeit benetzten Anschlüsse der Fluidverbindungspfade 60, 62 zwischen der ersten Fluidkammer 52 und den nachgeschalteten Fluidikstrukturen transferiert wird. Dadurch ergibt sich während des Befüllvorgangs der ersten Fluidkammer 52 ein Druckausgleich zwischen der ersten Fluidkammer 52 und den nachfolgenden Fluidikstrukturen, solange der Füllstand in der ersten Fluidkammer 52 radial außerhalb des radial am weitesten innen liegenden Anschlusspunkts liegt. An exemplary embodiment of a method according to the invention will be explained with reference to FIGS. 5B to 5D by means of the operation using the fluidic structures shown in FIG. 5A. First, liquid from the upstream fluidic structures, such as upstream chamber 54, is centrifugally induced to be transferred to first fluid chamber 52 and associated fluid communication paths 60 and 62. In this case, the level of the first fluid chamber 52 increases continuously in the radial direction from the radially outermost point of the same to radially further inward positions. During the filling process, the gas in the first fluid chamber 52 is displaced by the inflowing fluid 80, thereby transferring gas into the non-fluid wetted ports of the fluid communication paths 60, 62 between the first fluid chamber 52 and the downstream fluidic structures. This results during the filling of the first fluid chamber 52, a pressure equalization between the first fluid chamber 52 and the subsequent fluidic structures, as long as the level in the first fluid chamber 52 is radially outside the radially innermost connection point.
Wie in Fig. 5A gezeigt ist, kann die Anschlussposition 134 des Flüssigkeitsführungspfads 62 an die erste Fluidkammer 52 dabei näher am Rotationszentrum R liegen als die Anschlussposition 132 des Gasführungspfads 60. Weiterhin kann mehr Flüssigkeit in die erste Fluidkammer 52 transferiert werden als durch die erste Fluidkammer 52 und die Fluidverbindungspfade 60, 62 bis zur radialen Position des radial weiter innen liegenden Anschlusspunkts (des Anschlusspunkts 134 bei dem in Fig. 5A gezeigten Ausführungs-
beispiel) aufgenommen werden kann. In diesem Fall kann weiterhin die erste Fluidkam- mer 52 ohne weitere Entlüftungen ausgestaltet sein, so dass sich in dem durch die Flüssigkeit 80 eingeschlossenen Gasvolumen bei fortgesetztem Transfer von Flüssigkeit aus den vorgeschalteten Fluidikstrukturen in die erste Fluidkammer 52 ein pneumatischer Überdruck Δρι aufbauen kann, der nicht mit dem pneumatischen Überdruck Δρ in den nachfolgenden Fluidikstrukturen identisch ist. Während der Befüllung der ersten Fluidkammer 52 kann ferner die Teilkompressionskammer 112 im Gasführungspfad 60 mit Flüssigkeit befüllt werden, wodurch Gas in die nachfolgenden Fluidikstrukturen transferiert wird. Durch eine Wahl des Anschlusspunkts 120 des Fluidpfads 60 zwischen der Teilkompressionskammer 112 und den nachgeschalteten Fluidikstrukturen 58 an einer Position, die radial außerhalb des innersten Punkts der Teilkompressionskammer 112 liegt, kann analog zu den beschriebenen Prozessen in der ersten Fluidkammer eine Kompression von Gas in der Teilkompressionskammer 112 auftreten, sobald der Füllstand der Flüssigkeit in der Teilkompressionskammer 112 radial innerhalb des radial innersten Anschlusspunkts an die Teilkompressionskammer 112 liegt. As shown in FIG. 5A, the terminal position 134 of the liquid guide path 62 to the first fluid chamber 52 may be closer to the rotation center R than the terminal position 132 of the gas guide path 60. Further, more fluid may be transferred into the first fluid chamber 52 than through the first fluid chamber 52 and the fluid connection paths 60, 62 to the radial position of the radially inner connection point (of the connection point 134 in the embodiment shown in FIG. 5A). Example) can be included. In this case, furthermore, the first fluid chamber 52 can be designed without further vents, so that in the gas volume trapped by the liquid 80, with continued transfer of liquid from the upstream fluidic structures into the first fluid chamber 52, a pneumatic overpressure Δρι can be established is not identical to the pneumatic overpressure Δρ in the subsequent fluidic structures. During the filling of the first fluid chamber 52, furthermore, the partial compression chamber 112 in the gas guide path 60 can be filled with liquid, whereby gas is transferred into the subsequent fluidic structures. By selecting the connection point 120 of the fluid path 60 between the sub-compression chamber 112 and the downstream fluidic structures 58 at a position radially outwardly of the innermost point of the sub-compression chamber 112, compression of gas in the sub-compression chamber may be analogous to the described processes in the first fluid chamber 112 occur as soon as the liquid level in the sub-compression chamber 112 is radially within the radially innermost connection point to the sub-compression chamber 112.
Durch eine entsprechende Befüllung des Flüssigkeits-Haltebereichs, der die erste Kammer 52 und die Teilkompressionskammer 1 12 aufweist, kann ein Gleichgewichtszustand erreicht werden, bei dem sich der Meniskus 104 der Flüssigkeit im radial nach innen verlaufenden Bereich des siphonförmigen Bereichs des Flüssigkeitsführungspfads 62 befindet, und die in Richtung der Benetzung des Siphonscheitels 64 wirkenden Drücke (Zentrifugaldruck und eventuell andere Drücke, wie beispielsweise der Überdruck Δρι) im Gleichgewicht mit den entgegen der Benetzung wirkenden Drücken (dem pneumatischen Überdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen und eventuell anderen Drücken) stehen. Dieser Betriebszustand ist in Fig. 5B dargestellt. By a corresponding filling of the liquid-holding portion, which has the first chamber 52 and the partial compression chamber 1 12, a state of equilibrium can be achieved, in which the meniscus 104 of the liquid is in the radially inwardly extending portion of the siphon-shaped portion of the liquid guide path 62, and the pressures acting in the direction of wetting of the siphon vertex 64 (centrifugal pressure and possibly other pressures, such as the overpressure Δρι) are in equilibrium with the pressures acting against the wetting (the pneumatic overpressure in the subsequent fluidic structures and possibly other pressures). This operating state is shown in Fig. 5B.
Ausgehend von dem in Fig. 5B gezeigten Zustand kann, analog zu der obigen Beschreibung, durch Erhöhung des Zentrifugaldrucks oder Verringerung des pneumatischen Gegendrucks eine Benetzung des Siphonscheitels 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 erreicht werden, wodurch ein Flüssigkeitstransfer aus der ersten Fluidkammer 52 in das Flüssigkeitszielvolumen 58 der nachgeschalteten Fluidikstrukturen initiiert wird. Dadurch kann der Pegel in der ersten Fluidkammer 52 unter den Anschlusspunkt 130 des Einlasskanals 110 in die erste Fluidkammer 52 sinken, so dass eine Entlüftung der ersten Fluidkammer 52 auf Atmosphärendruck p0 stattfindet. Wie oben Bezug nehmend auf das in den Fig. 4A bis 4D beschriebene Ausführungsbeispiel dargelegt wurde, kann, sobald der pneumatische Überdruck in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen den hydrostatischen
Druck übersteigt, der in der ersten Fluidkammer 52 auf den Gasführungspfad 60 wirkt, Gas aus den nachfolgenden Fluidikstrukturen über den Gasführungspfad in die erste Fluidkammer und durch die Flüssigkeit transferiert werden, wobei dieser Betriebszustand wiederum in Fig. 5C gezeigt ist. Starting from the state shown in FIG. 5B, by increasing the centrifugal pressure or decreasing the pneumatic back pressure, wetting of the siphon vertex 64 of the liquid guide path 62 can be achieved, whereby a liquid transfer from the first fluid chamber 52 to the liquid target volume 58 of FIG downstream fluidic structures is initiated. As a result, the level in the first fluid chamber 52 may drop below the connection point 130 of the inlet channel 110 into the first fluid chamber 52, so that venting of the first fluid chamber 52 to atmospheric pressure p 0 takes place. As was explained above with reference to the embodiment described in FIGS. 4A to 4D, as soon as the pneumatic overpressure in the downstream fluidic structures becomes hydrostatic Pressure acting on the gas guide path 60 in the first fluid chamber 52, gas from the subsequent fluidic structures is transferred via the gas guide path into the first fluid chamber and through the liquid, this operating state again being shown in FIG. 5C.
Nachdem bei dem in den Fig. 5A bis 5D gezeigten Ausführungsbeispiel der Anschlusspunkt 134 zwischen dem Flüssigkeitsführungspfad 62 und der ersten Fluidkammer 52 radial innerhalb des radial äußersten Punkts der ersten Fluidkammer 52 liegt, kann der Transfer stoppen, sobald der Flüssigkeitsmeniskus 122 in der ersten Fluidkammer 52 die radiale Position des Anschlusspunkts 134 erreicht. Dies kann, wie in Fig. 5D gezeigt ist, zum Verbleib von Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 52 führen, woraus sich die Möglichkeit ergibt, durch mehrfache Benutzung derselben Fluidikstrukturen mit verschiedenen Flüssigkeiten diese in der ersten Fluidkammer 52 zu mischen. Dies kann auch zur Erzeugung von Verdünnungsreihen verwendet werden, falls in einem ersten Schritt ein durch die Fluidikstruktur definiertes Volumen einer zu verdünnenden Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer nach dem Transferschritt zurückbleibt und in folgenden Schritten die zur Verdünnung genutzte Flüssigkeit durch die vorausgehenden Fluidikstrukturen in die erste Fluidkammer transferiert und mit der zu verdünnenden Flüssigkeit gemischt wird. Die nachgeschalteten Fluidikstrukturen können dabei zu diesem Zweck durch eine Kaskadie- rung der beschriebenen Strukturen gegeben sein, das heißt durch radial nach außen versetzte Instanzen der beschriebenen Struktur. In the embodiment shown in FIGS. 5A to 5D, after the connection point 134 between the liquid guide path 62 and the first fluid chamber 52 is radially inside the radially outermost point of the first fluid chamber 52, the transfer may stop as soon as the fluid meniscus 122 in the first fluid chamber 52 reaches the radial position of the connection point 134. This may result in the retention of fluid in the first fluid chamber 52, as shown in FIG. 5D, resulting in the possibility of mixing them in the first fluid chamber 52 by multiple use of the same fluidic structures with different fluids. This may also be used to create dilution series if, in a first step, a volume of liquid to be diluted defined by the fluidic structure remains in the first fluid chamber after the transfer step, and in subsequent steps the dilution liquid through the preceding fluidic structures into the first fluid chamber transferred and mixed with the liquid to be diluted. The downstream fluidic structures can be given for this purpose by a cascading of the structures described, that is, by radially outwardly offset instances of the structure described.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel kaskadierter Fluidikstrukturen in einem Fluidikmodul 50. Die kaskadierten Fluidikstrukturen stellen dabei im Wesentlichen eine Kombination der Bezug nehmend auf die Figuren 3A bis 3D und 4A bis 4D beschriebenen Ausführungsbeispiele dar. Der Aufbau der vorgeschalteten Fluidkammer 54, des Verbindungskanals 56, der ersten Fluidkammer 52, des Gasführungspfads 60, des Flüssigkeitsfüh- rungspfads 62 und der nachgeschalteten Fluidkammer 58 entspricht dabei dem oben Bezug nehmend auf die Fig. 3A bis 3D beschriebenen Aufbau der entsprechenden Strukturen. Diese Elemente bilden bei den in Fig. 6 gezeigten kaskadierten Fluidikstrukturen eine erste Schaltstruktur. Ein Gasführungspfad 160, ein Flüssigkeitsführungspfad 162 und eine weitere nachgeschaltete Fluidkammer 158 bilden eine zweite Schaltstruktur. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, kann optional ein Entlüftungs-Verzögerungswiderstand 66 vorgesehen sein. In dem Gasführungspfad 160 ist eine Zwischenkompressionskammer 112 angeordnet. Der Aufbau des Gasführungspfads 160, der Zwischenkompressionskammer 1 12 und des Flüssigkeitsführungspfads 162 kann im Wesentlichen dem Aufbau des Gasführungspfads
60, der Zwischenkompressionskammer 112 und des Gasführungspfads 62 entsprechen, die oben Bezug nehmend auf Fig. 4A beschrieben wurden. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, kann der Flüssigkeitsführungspfad 162 in einem radial äußeren Bereich, beispielsweise der radial äußersten Position, in die nachgeschaltete Fluidkammer 58 münden und kann in einem radial äußeren Bereich, beispielsweise der radial äußersten Position, in die nachgeschaltete Fluidkammer 158 münden. Der Gasführungspfad 160 kann in einem radial äußeren Bereich, beispielsweise der radial äußersten Position, in die nachgeschaltete Fluidkammer 58 münden, und kann in einem radial inneren Bereich, beispielsweise der radial innersten Position, in die nachgeschaltete Fluidkammer 158 münden. Die Fluidpfa- de 160 und 162 weisen insgesamt ein radiales Gefälle auf, das heißt die Mündung derselben in die Fluidkammer 158 liegt radial weiter außen als die Mündung derselben in die Fluidkammer 58. 6 shows an exemplary embodiment of cascaded fluidic structures in a fluidic module 50. The cascaded fluidic structures essentially represent a combination of the embodiments described with reference to FIGS. 3A to 3D and FIGS. 4A to 4D. The structure of the upstream fluid chamber 54, of the connection channel 56, FIG. The first fluid chamber 52, the gas guide path 60, the Flüssigkeitsfüh- tion path 62 and the downstream fluid chamber 58 corresponds to the above-described reference to FIGS. 3A to 3D described structure of the corresponding structures. These elements form a first switching structure in the cascaded fluidic structures shown in FIG. A gas guide path 160, a liquid guide path 162 and a further downstream fluid chamber 158 form a second switching structure. As shown in FIG. 6, a venting delay resistor 66 may optionally be provided. In the gas guide path 160, an intermediate compression chamber 112 is arranged. The structure of the gas guide path 160, the intermediate compression chamber 1 12 and the liquid guide path 162 may be substantially the structure of the gas guide path 60, the intermediate compression chamber 112 and the gas guide path 62 described above with reference to FIG. 4A. As shown in FIG. 6, the liquid guide path 162 can open into the downstream fluid chamber 58 in a radially outer region, for example the radially outermost position, and can open into the downstream fluid chamber 158 in a radially outer region, for example the radially outermost position , The gas guide path 160 may open into the downstream fluid chamber 58 in a radially outer region, for example the radially outermost position, and may open into the downstream fluid chamber 158 in a radially inner region, for example the radially innermost position. The fluid paths 160 and 162 have a total of a radial gradient, that is, the mouth of the same in the fluid chamber 158 is located radially further outward than the mouth thereof in the fluid chamber 58th
Die in Fig. 6 gezeigten Fluidikstrukturen stellen somit zwei kaskadierte Schaltstrukturen dar, wobei die Fluidkammer 58 für die erste Schaltstruktur eine nachgeschaltete Flu- idikstruktur darstellt und für die zweite Schaltstruktur einen Flüssigkeits-Haltebereich darstellt. Bezug nehmend auf die Figuren 7A bis 7E wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum kaskadierten Schalten von Flüssigkeiten beschrieben. Die Fig. 7A bis 7E zeigen eine Illustration der fluidischen Prozesse während des Verfahrens zum kaskadierten Schalten von Flüssigkeiten unter Verwendung des Ent- lüftungs-Verzögerungswiderstands 66. Fig. 7A zeigt dabei Flüssigkeit 80 in der ersten Fluidkammer 52 der ersten Schaltstruktur. Fig. 7B zeigt einen Flüssigkeitstransfer in die Flüssigkeitszielkammer 58 der ersten Schaltstruktur, welche gleichzeitig die erste Fluidkammer der zweiten Schaltstruktur darstellt. Fig. 7C zeigt den Endzustand des ersten Schaltvorgangs, der gleichzeitig den Gleichgewichtszustand vor der Initiierung des zweiten Schaltvorgangs darstellt. Fig. 7D zeigt den Transfer der Flüssigkeit in die Flüssigkeitszielkammer 158 der zweiten Schaltstruktur. Fig. 7E zeigt den Endzustand nach Abschluss des zweiten Flüssigkeitstransfers. The fluidic structures shown in FIG. 6 thus represent two cascaded switching structures, wherein the fluid chamber 58 for the first switching structure represents a downstream fluidic structure and represents a liquid holding area for the second switching structure. With reference to FIGS. 7A to 7E, an embodiment of a method according to the invention for the cascaded switching of liquids is described below. FIGS. 7A to 7E show an illustration of the fluidic processes during the process of cascading fluid switching using the venting delay resistor 66. FIG. 7A shows fluid 80 in the first fluid chamber 52 of the first switching structure. FIG. 7B shows a fluid transfer into the liquid-targeting chamber 58 of the first switching structure, which at the same time represents the first fluid chamber of the second switching structure. Fig. 7C shows the final state of the first switching operation, which simultaneously represents the equilibrium state before the initiation of the second switching operation. Fig. 7D shows the transfer of the liquid into the liquid-targeting chamber 158 of the second switching structure. Fig. 7E shows the final state after completion of the second liquid transfer.
Bei dem Bezug nehmend auf die Fig. 7A bis 7E gezeigten Verfahren kann aufgrund des Vorhandenseins eines Entwicklungs-Verzögerungswiderstands ein zweiter Schaltvorgang umgesetzt werden. Referring to Figs. 7A to 7E, a second switching operation may be implemented due to the presence of a development delay resistor.
Zunächst wird analog zu dem oben beschriebenen Verfahren Flüssigkeit zentrifugal induziert in die erste Fluidkammer 52 und die Fluidverbindungspfade 60, 62 transferiert und das in diesen vorhandene Gas wird in die nachfolgenden Fluidikstrukturen verdrängt,
wodurch in diesen ein pneumatischer Überdruck entsteht, welcher der weiteren Befüllung und damit der Benetzung des Siphonscheitels 64 im Flüssigkeitsführungskanal 62 entgegenwirkt. Die nachgeschalteten Fluidikstrukturen weisen dabei die nachgeschaltete Fluid- kammer 58, die Fluidpfade 160, 162 und die nachgeschaltete Fluidkammer 158 auf. Nachdem die erste Fluidkammer 52 vorzugsweise vollständig mit Flüssigkeit befüllt wurde, ist der in Fig. 7A gezeigte quasi-statische Zustand erreicht. Die in Richtung der Benetzung des Siphonscheitels 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 wirkenden Drücke sind im quasi-statischen Gleichgewicht mit den dieser Benetzung entgegenwirkenden Drücken, wobei sich der pneumatische Überdruck in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen langsam über den Entlüftungs-Verzögerungswiderstand 66 abbaut. In der Folge kann bei konstanter oder auch sich verringernder Rotationsfrequenz aufgrund der Verringerung des pneumatischen Gegendrucks die Benetzung des Siphonscheitels 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 und damit verbunden die Initiierung des Transferprozesses in die nachgeschaltete Fluidkammer 58, das heißt das erste Flüssigkeitszielvolumen, erreicht werden. Dieser Betriebszustand ist in Fig. 7B gezeigt. Alternativ oder in Kombination können ferner auch die anderen Prozessbedingungsveränderungen, die hierin zur Initiierung des Schaltprozesses beschrieben werden, eingesetzt werden, beispielsweise eine Erhöhung der Rotationsfrequenz oder eine Reduzierung des pneumatischen Überdrucks beispielsweise durch eine Reduzierung der Temperatur. First, liquid is centrifugally induced induced in the first fluid chamber 52 and the fluid connection paths 60, 62 analogously to the method described above, and the gas present in these is displaced into the subsequent fluidic structures, whereby in this a pneumatic overpressure arises, which counteracts the further filling and thus the wetting of the siphon vertex 64 in the liquid guide channel 62. The downstream fluidic structures have the downstream fluid chamber 58, the fluid paths 160, 162 and the downstream fluid chamber 158. After the first fluid chamber 52 has preferably been completely filled with liquid, the quasi-static state shown in Fig. 7A is reached. The pressures acting in the direction of wetting the siphon vertex 64 of the liquid guide path 62 are in quasi-static equilibrium with the pressures counteracting this wetting, with the pneumatic overpressure in the downstream fluidic structures slowly degrading via the venting delay resistor 66. As a result, with constant or decreasing rotational frequency due to the reduction of the pneumatic back pressure, the wetting of the siphon vertex 64 of the liquid guide path 62 and, associated therewith, the initiation of the transfer process into the downstream fluid chamber 58, ie the first liquid target volume, can be achieved. This operating state is shown in Fig. 7B. Alternatively or in combination, the other process condition changes described herein for initiation of the switching process may also be used, for example increasing the rotational frequency or reducing the pneumatic overpressure, for example by reducing the temperature.
Während des ersten Transferprozesses wird, wie oben Bezug nehmend auf die Figuren 3A bis 3D beschrieben wurde, Gas über den Gasführungspfad 60 durch die erste Fluidkammer 52 entlüftet. Während dieses ersten Transferprozesses kann noch aus dem ersten Gasverdrängungsvorgang vorhandener Überdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen der zweiten Schaltstruktur teilweise erhalten bleiben, da während des Transfers keine vollständige Entlüftung auftreten muss. Dies ist in Fig. 7C durch den in der nachgeschalteten Fluidkammer 158 verbleibenden pneumatischen Überdruck Δρ dargestellt. Im Rahmen des zentrifugalinduzierten ersten Transferprozesses wird weiterhin analog zu den oben Bezug nehmend auf die Fig. 4A bis 4D beschriebenen Prozessen die erste Fluidkammer der zweiten Schaltstruktur, das heißt die Fluidkammer 58, und die Teilkompressionskammer 112 des zweiten Gasführungspfads 160 mit Flüssigkeit befüllt und das zuvor darin enthaltene Gas in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 158 verdrängt. Der sich dabei aufbauende pneumatische Überdruck Δρ führt zu dem in Fig. 7C gezeigten quasi-statischen Zustand, in dem die der Benetzung des Siphonscheitels 164 des Flüssigkeitsführungspfads 162 entgegenwirkenden Drücke mit denen in Richtung der Benetzung wirkenden Drücken im quasi-statischen Gleichgewicht stehen. Aufgrund der kontinu-
ierlichen langsamen Entlüftung des pneumatischen Überdrucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen 158 der zweiten Schaltstruktur (aufgrund des Entlüftungs- Verzögerungswiderstands 66) kann wiederum die Benetzung des Siphonscheitels 164 des Flüssigkeitsführungspfads 162 bei konstanter oder sich verringernder Rotationsfrequenz erreicht werden, wodurch der zweite Flüssigkeitstransfer in die nachgeschaltete Fluidkammer 158, also die Flüssigkeitszielstruktur der zweiten Schaltstruktur, erreicht werden kann. Während dieses Flüssigkeitstransfers kann Gas aus der Fluidkammer 158 über den Gasführungspfad 160 in die Fluidkammer 58 entlüftet werden. Der Betriebszustand des Flüssigkeitstransfers ist in Fig. 7D dargestellt. Der Betriebszustand nach Ab- schluss des zweiten Flüssigkeitstransfers in die Flüssigkeitskammer 158 ist in Abbildung 10E gezeigt. During the first transfer process, as described above with reference to FIGS. 3A to 3D, gas is vented via the gas guide path 60 through the first fluid chamber 52. During this first transfer process, overpressure which is still present in the subsequent fluidic structures of the second switching structure can still be partially retained from the first gas displacement process, since complete venting does not have to occur during the transfer. This is illustrated in FIG. 7C by the pneumatic overpressure Δρ remaining in the downstream fluid chamber 158. In the centrifugally induced first transfer process, similarly to the processes described above with reference to FIGS. 4A to 4D, the first fluid chamber of the second switching structure, that is, the fluid chamber 58 and the partial compression chamber 112 of the second gas guide path 160 are filled with liquid and the above Gas contained therein displaced in the downstream fluidic 158. The resulting pneumatic overpressure Δρ leads to the quasi-static state shown in FIG. 7C, in which the pressures opposing the wetting of the siphon vertex 164 of the liquid guide path 162 are in quasi-static equilibrium with those in the direction of wetting. Due to the continual In addition, slow venting of the pneumatic overpressure in the subsequent fluidic structures 158 of the second switching structure (due to the venting delay resistor 66) can in turn achieve wetting of the siphon apex 164 of the liquid guide path 162 at a constant or decreasing rotational frequency, thereby providing second fluid transfer to the downstream fluid chamber 158 , So the liquid target structure of the second switching structure can be achieved. During this liquid transfer, gas may be vented from the fluid chamber 158 via the gas guide path 160 into the fluid chamber 58. The operating state of the liquid transfer is shown in Fig. 7D. The operating state after completion of the second liquid transfer into the liquid chamber 158 is shown in Figure 10E.
Bezug nehmend auf die Fig. 6 bis 7E wurde somit ein Ausführungsbeispiel für kaskadierte Schaltstrukturen beschrieben. Es bedarf keiner separaten Erläuterung, dass auch andere der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele kaskadiert werden können, wobei jeweils sämtliche hierin beschriebenen Prozessbedingungsveränderungen zur Initiierung der jeweiligen Schaltprozesses verwendet werden können. Obwohl bei dem beschriebenen Beispiel einer kaskadierten Struktur unter Verwendung eines Entlüftungsverzögerungswi- derstands als Betätigungseinrichtung beschrieben ist, ist dies nicht zwangsweise erforderlich. With reference to FIGS. 6 to 7E, an embodiment for cascaded switching structures has thus been described. It does not require a separate explanation that also other embodiments described herein can be cascaded, wherein in each case all process condition changes described herein can be used to initiate the respective switching process. Although in the described example a cascaded structure using a vent delay resistor as the actuator is described, it is not necessarily required.
Allgemein wird erfindungsgemäß ein Flüssigkeitstransfer durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck bewirkt. Die Änderung dieses Verhältnisses kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Bei Ausführungsbeispielen kann das Verhältnis geändert werden, indem eine Rotationsgeschwindigkeit des Fluidik- moduls erhöht wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Antriebseinrichtung, durch die das Fluidikmodul in Rotation versetzt wird, mittels einer entsprechenden Steuereinrichtung entsprechend gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, den pneumatischen Druck zu verringern, um das Verhältnis zu ändern. Zu diesem Zweck kann ein Entlüftungs-Verzögerungswiderstand vorgesehen sein, der als Betätigungseinrichtung betrachtet werden kann, die ausgelegt ist, um den pneumatischen Druck zu verringern. Alternativ oder in Kombination kann der pneumatische Druck verringert werden, indem die Temperatur des eingeschlossenen Gasvolumens gesteuert, insbesondere verringert, wird. Dies kann erfolgen, indem entweder die Temperatur des gesamten Fluidik- moduls oder zumindest von Teilen des Fluidikmoduls, in dem das Gasvolumen eingeschlossen ist, entsprechend gesteuert wird. Zu diesem Zweck können, wie oben Bezug
nehmend auf die Fig. 12A und 12B beschrieben wurde, Temperatursteuereiemente vorgesehen sein. Alternativ oder in Kombination kann eine Verringerung des pneumatischen Drucks erreicht werden, indem das Volumen der nachgeschalteten Fluidikstrukturen vergrößert wird. Beispielsweise können die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eine oder mehrere Fluidkammern aufweisen, deren Volumen einstellbar ist. Generally, according to the present invention, liquid transfer is effected by changing the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure. The change of this ratio can be done in different ways. In embodiments, the ratio can be changed by increasing a rotational speed of the fluidic module. For this purpose, for example, a drive device, by means of which the fluidic module is set in rotation, can be correspondingly controlled by means of a corresponding control device. Alternatively or additionally, it is possible to reduce the pneumatic pressure to change the ratio. For this purpose, a venting delay resistor may be provided, which may be considered as an actuator designed to reduce the pneumatic pressure. Alternatively or in combination, the pneumatic pressure may be reduced by controlling, in particular reducing, the temperature of the trapped gas volume. This can be done either by controlling the temperature of the entire fluidic module or at least parts of the fluidic module in which the gas volume is enclosed. For this purpose, as described above Referring to Figs. 12A and 12B, temperature control elements may be provided. Alternatively or in combination, a reduction of the pneumatic pressure can be achieved by increasing the volume of the downstream fluidic structures. For example, the downstream fluidic structures may have one or more fluid chambers whose volume is adjustable.
Bezug nehmend auf die Fig. 8A bis 8E wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem ein Unterdruck in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen verwendet wird, d.h. eine Verringerung des Drucks in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen unter den Umgebungsdruck. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann ein Schalten unter Verwendung von Temperatur- und/oder Zentrifugaldruck-Veränderungen stattfinden. Referring to Figs. 8A to 8E, an embodiment in which a negative pressure is used in the downstream fluidic structures, that is, an embodiment of the present invention will be described below. a reduction of the pressure in the downstream fluidic structures below the ambient pressure. In such embodiments, switching may occur using temperature and / or centrifugal pressure changes.
Wie bereits beschrieben wurde, kann eine temperaturgesteuerte Verringerung des Drucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen, welche zur Initiierung des Flüssigkeitstransfers aus der ersten Fluidkammer in das Flüssigkeitszielvolumen dient, durch eine Verringerung der Temperatur des Gases in den nachfolgenden Fluidikstrukturen erreicht werden. As already described, a temperature-controlled reduction of the pressure in the subsequent fluidic structures, which serves to initiate the transfer of liquid from the first fluid chamber into the liquid target volume, can be achieved by a reduction of the temperature of the gas in the subsequent fluidic structures.
Wie in Fig. 8A gezeigt ist, weisen die in einem Fluidikmodul 50 gebildeten Fluidikstrukturen einen Einlasskanal 200 auf, der eine erste Fluidkammer 202 mit vorausgehenden Fluidikstrukturen (nicht gezeigt) verbindet. Die erste Fluidkammer 202 kann über einen Flu- idpfad 204 entlüftet sein. Die erste Fluidkammer 202 ist über einen ersten Fluidpfad 206 und einen zweiten Fluidpfad 208 mit nachgeschalteten Fluidikstrukturen 210, die eine Fluidaufnahmekammer aufweisen, verbunden. Der erste Fluidpfad 206 weist einen Siphon-Kanal mit einem Siphonscheitel 212 auf. Der zweite Fluidpfad 208 weist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls einen Siphon-Kanal auf, dessen Siphonscheitel 214 radial weiter innen angeordnet ist als der Siphonscheitel 212 des ersten Fluidpfads 206. Der erste Fluidpfad 206 stellt einen Flüssigkeitsführungspfad dar, und der zweite Fluidpfad 214 stellt einen Gasführungspfad dar. Die Fluidverbindungspfade 206 und 208 müssen keine weiteren Kammern beinhalten. Der Flüssigkeitsführungspfad 212 ist in einem radial äußeren Bereich, vorzugsweise an der radial äußersten Position, mit der ersten Fluidkammer verbunden. Der Gasführungspfad 208 ist in einem Bereich der ersten Fluidkammer 202 mit dieser verbunden, der bei Befüllung der ersten Fluidkammer 202 mit Flüssigkeit benetzt wird. Eine solche Befüllung der ersten Fluidkammer kann zentrifugal induziert über den Einlasskanal 200 erfolgen. Mögliche Positionen für die Mündungen der Fluidpfade 206 und 208 in die erste Fluidkammer 202 ergeben sich dabei aus der Kammergeometrie und den im Rahmen des Verfahrens eingesetzten Flüssigkeitsmengen. Der
Siphonscheitel 212 des Flüssigkeitsführungspfads 206 liegt vorzugsweise radial innerhalb der Position, die während des Betriebs durch den Meniskus der Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer erreicht wird, insbesondere während eines ersten Prozessierungsschritts, während dem Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 202, die einen Flüssigkeits- Haltebereich darstellt, gehalten wird. Wie in Fig. 8A gezeigt ist, kann der Gasführungspfad 208 in einem radial inneren Bereich in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 210 münden, und der Flüssigkeitsführungspfad 206 kann in einem radial äußeren Bereich in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 210 münden. As shown in FIG. 8A, the fluidic structures formed in a fluidic module 50 have an inlet channel 200 connecting a first fluid chamber 202 to preceding fluidic structures (not shown). The first fluid chamber 202 may be vented via a fluid path 204. The first fluid chamber 202 is connected via a first fluid path 206 and a second fluid path 208 to downstream fluidic structures 210, which have a fluid receiving chamber. The first fluid path 206 has a siphon channel with a siphon vertex 212. The second fluid path 208 also has a siphon channel in the embodiment shown, the siphon apex 214 of which is located radially further inward than the siphon apex 212 of the first fluid path 206. The first fluid path 206 represents a liquid guide path, and the second fluid path 214 provides a gas guide path The fluid communication paths 206 and 208 need not include any further chambers. The liquid guide path 212 is connected to the first fluid chamber in a radially outer region, preferably at the radially outermost position. The gas guide path 208 is connected in a region of the first fluid chamber 202 with the latter, which is wetted with liquid when filling the first fluid chamber 202. Such a filling of the first fluid chamber can be effected centrifugally induced via the inlet channel 200. Possible positions for the orifices of the fluid paths 206 and 208 in the first fluid chamber 202 result from the chamber geometry and the amounts of liquid used in the process. Of the The siphon apex 212 of the liquid guide path 206 is preferably radially within the position reached during operation by the meniscus of the liquid in the first fluid chamber, particularly during a first processing step during which liquid in the first fluid chamber 202 representing a liquid holding region. is held. As shown in FIG. 8A, the gas guidance path 208 can open into the downstream fluidic structures 210 in a radially inner region, and the liquid guidance path 206 can open into the downstream fluidic structures 210 in a radially outer region.
Die in Fig. 8A gezeigten Fluidikstrukturen stellen Fluidikstrukturen zum Unterdruck- basierten zentrifugo-pneumatischen Entlüftungs-Siphon-Ventilschalten dar, wie aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung der in Fig. 8A gezeigten Fluidikstrukturen deutlich wird. The fluidic structures shown in Figure 8A illustrate fluidic structures for vacuum-based centrifugal-pneumatic vent-siphon valve switching, as will become apparent from the following description of an embodiment of a method according to the invention using the fluidic structures shown in Figure 8A.
In einem ersten Schritt wird Flüssigkeit aus vorgeschalteten Fluidikstrukturen (nicht gezeigt) zentrifugal induziert durch den Einlasskanal 200 in die erste Fluidkammer 202 transferiert. Dabei wird auch Flüssigkeit in die radial nach innen verlaufenden Bereiche der siphonförmigen Verbindungspfade 206, 208 zwischen der ersten Fluidkammer 202 und den nachfolgenden Fluidikstrukturen 210 transferiert. Ab dem Zeitpunkt der Benetzung des Anschlusspunkts des letzten der Verbindungspfade 206, 208 verdrängt die weitere in die Verbindungspfade einfließende Flüssigkeit das in den Verbindungspfaden enthaltene Gas in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen, wodurch sich bei konstanter Temperatur in den nachfolgenden Fluidikstrukturen ein Überdruck ergibt, wie in Fig. 8B gezeigt ist. Dieser Überdruck als Differenz zum Atmosphärendruck kann ein geringfügiger Bruchteil des Atmosphärendrucks sein, sodass sich während der Einbringung ein vernachlässigbarer Überdruck ergibt. In a first step, liquid is transferred from upstream fluidic structures (not shown) centrifugally induced through the inlet channel 200 into the first fluid chamber 202. In this case, liquid is also transferred into the radially inwardly extending regions of the siphon-shaped connection paths 206, 208 between the first fluid chamber 202 and the subsequent fluidic structures 210. From the time at which the connection point of the last of the connection paths 206, 208 is wetted, the further liquid flowing into the connection paths displaces the gas contained in the connection paths into the downstream fluidic structures, resulting in overpressure at constant temperature in the subsequent fluidic structures, as shown in FIG. 8B is shown. This excess pressure as the difference to the atmospheric pressure may be a small fraction of the atmospheric pressure, so that there is a negligible overpressure during the introduction.
Ausgehend von dem in Fig. 8B gezeigten Betriebszustand kann bei vorzugsweise konstanter Rotationsgeschwindigkeit eine Abkühlung der nachfolgenden Fluidikstrukturen 210, beispielsweise durch eine Verringerung der Umgebungstemperatur oder durch mit der Kartusche in Kontakt stehende Kühlelemente, erreicht werden, wodurch sich in den nachfolgenden Fluidikstrukturen ein Unterdruck ergibt, wie in Fig. 8C angedeutet ist. In der Folge stellt sich abhängig von den Prozessierungsbedingungen (z. B. Rotationsfrequenz, Geometrie der Kammern und Kanäle, Start- und Endtemperatur in den nachfolgenden Fluidikstrukturen u.a.) eine neue hydrostatische Höhe zwischen den Menisken 102, 104 in den Fluidverbindungspfaden 206, 208 und dem Meniskus 122 der Flüssigkeit
in der ersten Fluidkammer 202 ein, die zu einem neuen Gleichgewicht zwischen den Drücken in Richtung der Befüllung des Siphonscheitels 212 des Flüssigkeitsführungspfads 206 (bei diesem Ausführungsbeispiel der pneumatische Unterdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen und eventuell andere untergeordnete Drücke) und den Drücken entgegen dieser Befüllung (bei diesem Ausführungsbeispiel der Zentrifugaldruck aufgrund der sich einstellenden hydrostatischen Höhe und eventuell andere untergeordnete Drücke) führt, wie in Fig. 8C gezeigt ist. Ausgehend von dem unter diesen Prozessbedingungen vorliegenden Betriebszustand kann in einem folgenden Schritt durch Verringerung des Zentrifugaldrucks, beispielsweise durch Verringerung der Rotationsfrequenz oder aber durch weitere Verringerung des Drucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen, beispielsweise durch eine weitere Temperaturverringerung, eine Benetzung des Siphonscheitels 212 des Flüssigkeitsführungspfads 206 erreicht werden, und damit ein Transfer der Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 202 in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 210. Alternativ oder zusätzlich kann auch Flüssigkeit in die Fluidkammer 202 hinzugeführt werden, um den Siphonscheitel zu benetzen, wobei der Füllstand über den Siphonscheitel angehoben werden kann. Im Rahmen des Flüssigkeitstransfers kann die transferierte Flüssigkeit zu einer Kompression des in den nachfolgenden Fluidikstrukturen 210 vorhandenen Gases führen, so dass in diesem ein Überdruck entstehen kann, der zu einem Transfer von Gas aus den nachgeschalteten Fluidikstrukturen über den Gasführungspfad 208 in die erste Fluidkammer 202 führt, wie in Fig. 8D gezeigt ist. Im Folgenden entleert sich die erste Fluidkammer 202 über den Flüssigkeitsführungspfad 206 vollständig in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen, wie in Fig. 8E gezeigt ist. Starting from the operating state shown in FIG. 8B, cooling of the subsequent fluidic structures 210 can be achieved at a preferably constant rotational speed, for example by a reduction in the ambient temperature or by cooling elements in contact with the cartridge, whereby a negative pressure results in the subsequent fluidic structures, as indicated in Fig. 8C. As a result, depending on the processing conditions (eg rotational frequency, geometry of the chambers and channels, start and end temperature in the subsequent fluidic structures, etc.), a new hydrostatic altitude arises between the menisci 102, 104 in the fluid communication paths 206, 208 and Meniscus 122 of the fluid in the first fluid chamber 202 leading to a new equilibrium between the pressures in the direction of filling the siphon vertex 212 of the liquid guide path 206 (in this embodiment, the pneumatic negative pressure in the subsequent fluidic structures and possibly other subordinate pressures) and the pressures against this filling (at this embodiment, the centrifugal pressure due to the adjusting hydrostatic height and possibly other subordinate pressures), as shown in Fig. 8C. Starting from the operating state present under these process conditions, wetting of the siphon apex 212 of the liquid guide path 206 can be achieved in a subsequent step by reducing the centrifugal pressure, for example by reducing the rotational frequency or by further reducing the pressure in the subsequent fluidic structures, for example by further reducing the temperature Alternatively, and in addition, liquid may be added to the fluid chamber 202 to wet the siphon apex, whereby the fill level may be raised above the siphon apex. As part of the liquid transfer, the transferred liquid can lead to a compression of the gas present in the subsequent fluidic structures 210, so that an overpressure can arise therein, which leads to a transfer of gas from the downstream fluidic structures via the gas guide path 208 into the first fluid chamber 202 as shown in Fig. 8D. In the following, the first fluid chamber 202 completely empties via the liquid guide path 206 into the downstream fluidic structures, as shown in FIG. 8E.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen weist der Flüssigkeits-Haltebereich eine erste Fluidkammer auf. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der Flüssigkeits-Haltebereich mehrere Fluidkammem aufweisen, die über ein oder mehrere Fluidka- näle verbunden sein können oder nicht. In the embodiments described so far, the liquid-holding region has a first fluid chamber. In alternative embodiments, the fluid retaining region may include a plurality of fluid chambers, which may or may not be connected via one or more fluid channels.
Ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Flüssigkeits-Haltebereich mehrere Fluidkammem aufweist und bei dem ein Schalten durch temperaturgesteuerte Druckverringerung erfolgen kann, wird nachfolgend Bezug nehmend auf Fig. 9 erläutert. An embodiment in which the liquid holding portion has a plurality of fluid chambers and in which switching can be effected by temperature-controlled pressure reduction will be explained below with reference to FIG. 9.
Wiederum sind entsprechende Fluidikstrukturen in einem Fluidikmodul 50 gebildet. Die Fluidikstrukturen weisen vorgeschaltete Fluidikstrukturen, einen Flüssigkeits-Haltebereich und nachgeschaltete Fluidikstrukturen auf. Der Flüssigkeits-Haltebereich weist eine erste Fluidkammer 300 und eine zweite Fluidkammer 302 auf. Die erste Fluidkammer 300 und
die zweite Fluidkammer 302 sind über einen radial abfallenden Verbindungskanal 304 fluidisch verbunden. Die vorgeschalteten Fluidikstrukturen weisen eine vorgeschaltete Fluidkammer 306 auf, die in einem bezüglich eines Rotationszentrums R radial äußeren Bereich derselben Kammersegmente 306a und 306b aufweisen kann, die ein Abmessen von Flüssigkeitsvolumina ermöglichen. Das Kammersegment 306a ist über einen Fluidka- nal 308 mit der ersten Fluidkammer 300 fluidisch verbunden und das Kammersegment 306b ist über einen Fluidkanal 310 mit der zweiten Fluidkammer 302 fluidisch verbunden. Ein weiterer Einlasskanal 312 kann mit der ersten Fluidkammer 300 fluidisch verbunden sein. Ein weiterer Einlasskanal/Entlüftungskanal 314 kann mit der zweiten Fluidkammer 302 fluidisch verbunden sein. Eine Entlüftungsöffnung 316 ist schematisch in Fig. 9 dargestellt. Ferner kann ein weiterer Einfüll/Entlüftungskanal 318 vorgesehen sein. Again, corresponding fluidic structures are formed in a fluidic module 50. The fluidic structures have upstream fluidic structures, a liquid holding region and downstream fluidic structures. The liquid holding region has a first fluid chamber 300 and a second fluid chamber 302. The first fluid chamber 300 and the second fluid chamber 302 are fluidly connected via a radially sloping connection channel 304. The upstream fluidic structures have an upstream fluid chamber 306 which may have in a radially outer region of the same chamber segments 306a and 306b with respect to a center of rotation R, which allow a measurement of liquid volumes. The chamber segment 306 a is fluidically connected to the first fluid chamber 300 via a fluid channel 308, and the chamber segment 306 b is fluidically connected to the second fluid chamber 302 via a fluid channel 310. Another inlet channel 312 may be fluidly connected to the first fluid chamber 300. Another inlet channel / vent channel 314 may be fluidly connected to the second fluid chamber 302. A vent 316 is shown schematically in FIG. Further, another fill / vent passage 318 may be provided.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die vorgeschalteten Fluidikstrukturen bei dem in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel auch lediglich aus einem Einlasskanal bestehen könnten, der mit der ersten Fluidkammer 300 fluidisch verbunden ist und der ein Befüllen der ersten Fluidkammer 300 ermöglicht, beispielsweise ein zentrifugal induziertes Befüllen aus einer mit dem entsprechenden Einlasskanal fluidisch verbundenen Einlasskammer. It should be noted that the upstream fluidic structures in the embodiment shown in Fig. 9 could also consist of only one inlet channel, which is fluidly connected to the first fluid chamber 300 and which allows filling of the first fluid chamber 300, for example, a centrifugally induced filling from an inlet chamber fluidly connected to the corresponding inlet channel.
Wie in Fig. 9 gezeigt ist, ist die erste Fluidkammer 300 über einen Flüssigkeitsführungs- pfad 320 mit nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 in Form einer nachgeschalteten Fluidkammer verbunden. Die zweite Fluidkammer 302 ist über einen Gasführungspfad 324 mit der nachgeschalteten Fluidikstruktur 322 verbunden. Der Flüssigkeitsführungspfad 320 weist einen Siphon-Kanal mit einem Siphonscheitel 326 auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Gasführungspfad 324 ebenfalls einen Siphon-Kanal mit einem Siphonscheitel 328 auf. Die erreichbare hydrostatische Höhendifferenz zwischen dem Meniskus in Kammer 302 und dem Siphonscheitel 328 ist vorzugsweise höher, als die zu überwindende hydrostatische Höhendifferenz zwischen dem Meniskus in Kammer 300 und dem Siphonscheitel 326. As shown in FIG. 9, the first fluid chamber 300 is connected via a fluid guidance path 320 to downstream fluidic structures 322 in the form of a downstream fluid chamber. The second fluid chamber 302 is connected to the downstream fluidic structure 322 via a gas guide path 324. The liquid guide path 320 has a siphon channel with a siphon vertex 326. In the embodiment shown, the gas routing path 324 also has a siphon channel with a siphon vertex 328. The achievable hydrostatic head difference between the meniscus in chamber 302 and the siphon apex 328 is preferably higher than the hydrostatic head difference between the meniscus in chamber 300 and the siphon apex 326 to overcome.
Der Flüssigkeitsführungspfad 320 mündet in einem radial äußeren Bereich, vorzugsweise an einem radial äußeren Ende, in die erste Fluidkammer 300. Der Gasführungspfad 328 mündet in einem radial äußeren Bereich, vorzugsweise an einem radial äußeren Ende, in die zweite Fluidkammer 302. Die erste Fluidkammer 300 kann derart ausgestaltet sein, dass bei einem Befüllen derselben mit einem ersten Flüssigkeitsvolumen die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 über den Gasführungspfad 324 zu der zweiten Fluidkammer 302 entlüftet bleibt. Dieser Betriebszustand, bei dem ein erstes Flüssigkeitsvolu-
men 380 in die erste Fluidkammer 300 eingebracht ist, ist in Fig. 10A gezeigt. Änderungen der Temperatur und/oder Drehfrequenz können weiter durchgeführt werden, ohne dass die Flüssigkeit in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 geschaltet wird. Für den Fall, dass Kapillarkräfte vernachlässigbar sind, ist die Flüssigkeit in diesem Zustand quasi in der Fluidkammer 300 gespeichert. The liquid guide path 320 opens into the first fluid chamber 300 in a radially outer region, preferably at a radially outer end. The gas guide path 328 opens into the second fluid chamber 302 in a radially outer region, preferably at a radially outer end may be configured such that when filling the same with a first volume of liquid, the downstream fluidic structures 322 remains vented via the gas guide path 324 to the second fluid chamber 302. This operating state, in which a first liquid volume is introduced into the first fluid chamber 300, 380 is shown in Fig. 10A. Changes in the temperature and / or rotational frequency can be further carried out without the liquid being switched into the downstream fluidic structures 322. In the event that capillary forces are negligible, the liquid is stored in this state, so to speak, in the fluid chamber 300.
Wird nun weiteres Flüssigkeitsvolumen in die erste Fluidkammer 300 eingebracht, beispielsweise über die Kanäle 308 und/oder 312, steigt das Flüssigkeitsvolumen in der ersten Fluidkammer 300 solange an, bis überschüssiges Volumen durch den Verbindungskanal 304, der einen Überlauf darstellt, in die zweite Fluidkammer 302 fließt. Zu diesem Zweck liegt die Mündung des Verbindungskanals in die erste Fluidkammer 300 radial weiter innen als ein radial äußeres Ende der ersten Fluidkammer 300. Das überschüssige, in die zweite Fluidkammer 302 überlaufende Flüssigkeitsvolumen 382 verschließt den Gasführungspfad 324, der an einem radial äußeren Ende in die zweite Fluidkammer 302 mündet, luftdicht. Somit sind nun beide Fluidpfade 320 und 324 zu den nachgeschalteten Fluidikstrukturen luftdicht verschlossen, nachdem der Flüssigkeitsführungspfad 320 bereits bei Einbringen des Flüssigkeitsvolumens 380 in die erste Fluidkammer 300 luftdicht verschlossen wurde. Dieser Betriebszustand ist in Fig. 10B dargestellt. If further liquid volume is now introduced into the first fluid chamber 300, for example via the channels 308 and / or 312, the volume of liquid in the first fluid chamber 300 increases until excess volume through the connecting channel 304, which constitutes an overflow, into the second fluid chamber 302 flows. For this purpose, the mouth of the connecting channel into the first fluid chamber 300 is located radially farther inward than a radially outer end of the first fluid chamber 300. The excess fluid volume 382 overflowing into the second fluid chamber 302 closes the gas guide path 324 which is in the radially outer end second fluid chamber 302 opens, airtight. Thus, both fluid paths 320 and 324 are now hermetically sealed to the downstream fluidic structures, after the liquid guide path 320 has already been hermetically sealed when introducing the liquid volume 380 into the first fluid chamber 300. This operating state is shown in FIG. 10B.
Ausgehend von diesem Betriebszustand kann nun, wie oben Bezug nehmend auf die Fig. 8A bis 8E beschrieben wurde, durch Verringerung der Temperatur und entsprechende Verringerung des Drucks ein Unterdruck in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 erzeugt werden, wie in Fig. 10C gezeigt ist. Wie ebenfalls Bezug nehmend auf die Fig. 8A bis 8E beschrieben wurde, kann nachfolgend durch Verringerung des Zentrifugaldrucks und/oder durch weitere Verringerung des Drucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen bewirkt werden, dass die Flüssigkeit über den Flüssigkeitsführungspfad 320 in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 transferiert wird, wie in Fig. 10D gezeigt ist. Dabei ist der Siphon-Kanal des Flüssigkeitsführungspfads 320 derart ausgestaltet, dass beispielsweise bei Verringerung der Temperatur und dadurch induzierter Verringerung des Druck nur dieser Siphon schaltet, so dass vorzugsweise nur die Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 300 und nicht die Flüssigkeit aus der zweiten Fluidkammer 302 transferiert wird. Ein potenzieller Überdruck in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 aufgrund des Transfers der Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 300 drückt dabei die Flüssigkeit aus dem Gasführungskanal 324 zurück in die zweite Fluidkammer 302, wobei Luft durch die zweite Fluidkammer 302 in Form von durch die Flüssigkeit aufsteigenden Luftblasen ent-
weichen kann. Somit kann die gesamte Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 300 in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 transferiert werden. From this operating state, as described above with reference to FIGS. 8A to 8E, by reducing the temperature and correspondingly reducing the pressure, a negative pressure can be generated in the downstream fluidic structures 322, as shown in FIG. 10C. As also described with reference to FIGS. 8A to 8E, subsequently, by reducing the centrifugal pressure and / or by further reducing the pressure in the subsequent fluidic structures, the liquid can be caused to be transferred via the liquid guide path 320 into the downstream fluidic structures 322, as shown in Fig. 10D. In this case, the siphon channel of the liquid guide path 320 is configured such that, for example, when reducing the temperature and thereby reducing the pressure induced only this siphon, so that preferably only the liquid from the first fluid chamber 300 and not the liquid from the second fluid chamber 302 transfers becomes. A potential overpressure in the downstream fluidic structures 322 due to the transfer of the liquid from the first fluid chamber 300 forces the liquid from the gas guide channel 324 back into the second fluid chamber 302, wherein air through the second fluid chamber 302 in the form of rising through the liquid bubbles can give way. Thus, all of the liquid from the first fluid chamber 300 can be transferred to the downstream fluidic structures 322.
Bei starkem Unterdruck können auch die Siphon-Kanäle sowohl des Flüssigkeitsfüh- rungspfads 320 als auch des Gasführungspfads 324 mit Flüssigkeit gefüllt werden. Dadurch würden dann sowohl die Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 300 als auch die Flüssigkeit in der zweiten Fluidkammer 302 zumindest teilweise transferiert werden. Durch den in der Folge stattfindenden Transfer der Flüssigkeit durch den Fluidführungs- pfad in die Kammer 322, kann der der Unterdruck in Kammer 322 mindestens teilweise ausgeglichen werden. Durch Transfer ausreichend großer Flüssigkeitsmengen kann über den Ausgleich des Unterdrucks hinaus ein Überdruck erzeugt werden, welcher innerhalb eines der Siphon-Kanäle, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in dem Gasführungskanal 324, zu einer Umkehr der Flussrichtung der Flüssigkeit und anschließend zu einem Phasenwechsel zu Gas führt, wodurch Gas aus den nachfolgenden fluidischen Strukturen 322 in die Kammer 302 entlüftet wird. Under strong negative pressure, the siphon channels of both the liquid guide path 320 and the gas guide path 324 can also be filled with liquid. As a result, both the fluid in the first fluid chamber 300 and the fluid in the second fluid chamber 302 would then be at least partially transferred. As a result of the subsequent transfer of the fluid through the fluid guidance path into the chamber 322, the negative pressure in the chamber 322 can be at least partially compensated. By transferring sufficiently large amounts of liquid, an overpressure can be generated in addition to the compensation of the negative pressure, which leads to a reversal of the flow direction of the liquid within one of the siphon channels, in the embodiment shown in the gas guide channel 324, and then to a phase change to gas, whereby gas from the subsequent fluidic structures 322 is vented into the chamber 302.
Eine Ausgestaltung, wie sie Bezug nehmend auf die Fig. 9 bis 10D beschrieben wurde, kann nützlich sein, um eine Flüssigkeit vor dem Schalten auf ein vordefiniertes Volumen abzumessen. Flüssigkeitsvolumina unterhalb des Zielvolumens werden nicht geschaltet. One embodiment, as described with reference to FIGS. 9 to 10D, may be useful for metering a fluid prior to switching to a predefined volume. Liquid volumes below the target volume are not switched.
Die Bezug nehmend auf Fig. 9 beschriebenen Fluidikstrukturen können auch verwendet werden, um eine zweite Flüssigkeit zuzugeben, wie nachfolgend Bezug nehmend auf die Fig. 1 1 A bis 11 E erläutert wird. The fluidic structures described with reference to FIG. 9 may also be used to add a second liquid, as will be explained below with reference to FIGS. 11A to 11E.
Fig. 11A entspricht dabei dem Betriebszustand aus Fig. 10A, bei dem ein erstes Flüssigkeitsvolumen 380 in die erste Fluidkammer 300 eingebracht ist und quasi in der ersten Fluidkammer 300 gespeichert ist. Fließt nun eine zweite Flüssigkeit durch den Zulaufkanal 310 in die zweite Fluidkammer 302, so sind die nachfolgenden Fluidikstrukturen 302 luftdicht verschlossen. Die zweite Flüssigkeit kann dazu entweder ausschließlich in die zweite Fluidkammer 302 über den Kanal 310 fließen, oder aufgeteilt in die erste Fluidkammer 300 und die zweite Fluidkammer 302 über die Kanäle 308 und 310. Die entsprechenden zugeführten Volumina können dafür in den Kammersegmenten 306a und 306b der vorgeschalteten Fluidkammer 306 abgemessen werden, wie in Fig. 1 B dargestellt ist. Wenn die zweite Flüssigkeit in die erste Fluidkammer 300 und die zweite Fluidkammer 302 fließt, so können die erste und die zweite Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 300 gemischt werden.
Wie in den Fig. 11C bis 11 E gezeigt ist, kann nachfolgend die Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 300 in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 transferiert werden, wie dies oben Bezug nehmend auf die Fig. 8A bis 8E und 10A bis 10D beschrieben wurde. Insbesondere kann die Flüssigkeit durch Verringerung der Temperatur und entsprechende Verringerung des Drucks in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen transferiert werden. FIG. 11A corresponds to the operating state from FIG. 10A, in which a first liquid volume 380 is introduced into the first fluid chamber 300 and is quasi stored in the first fluid chamber 300. If a second liquid then flows through the inlet channel 310 into the second fluid chamber 302, the following fluidic structures 302 are hermetically sealed. For this purpose, the second liquid can flow either exclusively into the second fluid chamber 302 via the channel 310, or divided into the first fluid chamber 300 and the second fluid chamber 302 via the channels 308 and 310. The corresponding volumes supplied for this purpose in the chamber segments 306a and 306b of the upstream fluid chamber 306 are measured, as shown in Fig. 1 B is shown. When the second liquid flows into the first fluid chamber 300 and the second fluid chamber 302, the first and second fluids in the first fluid chamber 300 may be mixed. As shown in FIGS. 11C-11E, subsequently, the liquid may be transferred from the first fluid chamber 300 to the downstream fluidic structures 322 as described above with reference to FIGS. 8A-8E and 10A-10D. In particular, the liquid can be transferred by reducing the temperature and corresponding reduction of the pressure in the downstream fluidic structures.
Fluidikstrukturen, wie sie Bezug nehmend auf die Fig. 9 bis 11 E beschrieben wurden, können insbesondere nützlich sein, um eine erste Flüssigkeit in einer ersten Fluidkammer eines Fluid-Haltebereichs zu speichern, während eine zweite Flüssigkeit noch weitere unabhängige Prozessschritte durchläuft. Diese Prozessschritte können dabei weitgehend frei benötigte Drehfrequenzen und Temperaturen benutzen, ohne dass die Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 300 über den Flüssigkeitsführungspfad 320 geschaltet wird. Nach deren Prozessierung kann die zweite Flüssigkeit in die erste Fluidkammer 300 und die zweite Fluidkammer 302 zugegeben werden. Das entstehende Flüssigkeitsgemisch kann dann durch Verringerung der Temperatur weitergeschaltet werden. Fluidic structures, as described with reference to FIGS. 9 to 11 E, may be particularly useful for storing a first fluid in a first fluid chamber of a fluid holding region while a second fluid is undergoing further independent process steps. These process steps can use largely freely required rotational frequencies and temperatures, without the liquid in the first fluid chamber 300 being switched via the liquid guide path 320. After processing, the second liquid may be added to the first fluid chamber 300 and the second fluid chamber 302. The resulting liquid mixture can then be switched by reducing the temperature.
Es ist für Fachleute offensichtlich, dass bei der beschriebenen Verwendung von Unterdruck die Fluidkammer des Fluid-Haltebereichs auch in drei oder mehr Kammern aufgeteilt werden kann. Bei Ausführungsbeispielen müssen die verschiedenen Kammern des Flüssigkeits-Haltebereichs nicht über Kanäle verbunden sein, mit Ausnahme der Verbindung über die nachgeschalteten Fluidikstrukturen und die Verbindungskanäle, die die Fluidkammer mit den nachgeschalteten Fluidikstrukturen verbinden. It will be apparent to those skilled in the art that in the described use of negative pressure, the fluid chamber of the fluid holding area may also be divided into three or more chambers. In embodiments, the various chambers of the liquid holding area need not be connected via channels, except for the connection via the downstream fluidic structures and the connection channels connecting the fluid chamber to the downstream fluidic structures.
Allgemein mündet bei Ausführungsbeispielen der Flüssigkeitsführungspfad an einer Position in eine Flüssigkeitsaufnahmekammer der nachfolgenden Fluidikstrukturen, die radial außerhalb einer Position liegt, an der der Flüssigkeitsführungspfad in eine Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs mündet. Mit anderen Worten weist der Flüssigkeitsführungspfad insgesamt ein radiales Gefälle auf. Somit ist es möglich, über den Flüssigkeitsführungspfad, der einen Siphon-Kanal aufweist, die Flüssigkeit aus der entsprechenden Kammer des Flüssigkeits-Haltebereichs in die nachfolgenden Fluidikstrukturen über einen Siphonscheitel zu transferieren, der radial innerhalb der Mündung des Flüssigkeitsfüh- rungspfads in die Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs angeordnet ist. Generally, in embodiments, the fluid guide path opens at a position into a fluid receiving chamber of the subsequent fluidic structures, which is radially outward of a position at which the fluid guide path opens into a fluid chamber of the fluid retaining region. In other words, the liquid guide path has an overall radial gradient. Thus, it is possible to transfer the liquid from the corresponding chamber of the liquid holding region into the subsequent fluidic structures via a siphon vertex, which is radially inside the mouth of the liquid guide path into the fluid chamber of the liquid via the liquid guide path having a siphon channel Holding area is arranged.
Bei Ausführungsbeispielen können die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zumindest eine Flüssigkeitsaufnahmekammer aufweisen, in die die Flüssigkeit transferiert wird. Bei Aus-
führungsbeispielen kann der Flüssigkeits-Haltebereich zumindest eine Fluidkammer aufweisen, aus der die Flüssigkeit in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen transferiert wird. In embodiments, the downstream fluidic structures may include at least one fluid receiving chamber into which the fluid is transferred. When According to exemplary embodiments, the liquid-holding region can have at least one fluid chamber from which the liquid is transferred into the downstream fluidic structures.
Bei Ausführungsbeispielen sind die Fluidikstrukturen derart ausgestaltet, dass Zentrifugaldrücke und pneumatische Drücke eine übergeordnete Rolle spielen, während Kapillarkräfte vernachlässigbar sein können. Bei Ausführungsbeispielen können die jeweiligen Fluidpfade als Fluidkanäle ausgebildet sein, wobei in den Fluidpfaden Kammern, beispielsweise Teilkompressionskammern angeordnet sein können. In embodiments, the fluidic structures are designed such that centrifugal pressures and pneumatic pressures play a major role, while capillary forces can be negligible. In embodiments, the respective fluid paths may be formed as fluid channels, wherein in the fluid paths chambers, for example, partial compression chambers may be arranged.
Ausführungsbeispiele schaffen somit Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren, bei denen zwei Fluidverbindungspfade zwischen einer Kammer, in der eine Flüssigkeit vor einem Schalten zurückgehalten wird, und einer Zielstruktur für die Flüssigkeit nach dem Schaltvorgang vorgesehen sind. Dies ermöglicht eine weitgehend flüssigkeitseigen- schafts-unabhängige monolithische Realisierung einer Struktur zum Schalten einer Flüssigkeit bei wahlweisem Überschreiten oder Unterschreiten einer hohen Rotationsfrequenz der Kartusche. Ausführungsbeispiele schaffen ein zentrifugo-pneumatisches Entlüftungs- Siphonventil, das Fluidikstrukturen auf einem zentrifugalen Testträger aufweist. Die Fluidikstrukturen können eine erste Anzahl an Kammern, nachfolgende Fluidikstrukturen, sowie mindestens zwei Fluidpfade, die die erste Anzahl an Kammern mit den nachfolgenden Fluidikstrukturen verbinden, aufweisen. Mindestens einer der Fluidpfade zwischen der ersten Anzahl an Kammern und den nachfolgenden Fluidikstrukturen beinhaltet einen Siphon-Kanal, wobei die Verbindung über die Fluidpfade von der ersten Anzahl an Kammern zu den nachfolgenden Fluidikstrukturen derart angeordnet ist, dass bei Befüllen der ersten Anzahl von Kammern mit Flüssigkeit ein Zustand hergestellt werden kann, in dem in den nachfolgenden Fluidikstrukturen ein durch die Flüssigkeit eingeschlossenes Gasvolumen entsteht oder aber ein quasi-eingeschlossenes Gasvolumen entsteht, bei dem die nachfolgenden Strukturen eine Entlüftung mit einem Entlüftungs-Verzögerungswiderstand aufweisen. Bei Ausführungsbeispielen solcher Fluidikstrukturen ist in mindestens einem der Fluidverbindungspfade zwischen der ersten Anzahl an Kammern und den nachfolgenden Fluidikstrukturen ein Siphon-Kanal vorgesehen, wobei der Siphonscheitel radial innerhalb der radial äußersten Position einer ersten Kammer, in die der Siphon-Kanal mündet, liegt. Bei Ausführungsbeispielen solcher Fluidikstrukturen sind die nachfolgenden Fluidikstrukturen nicht entlüftet. Bei Ausführungsbeispielen kann die Anzahl an Kammern eine Kammer oder mehr als eine Kammer umfassen.
Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Zurückhalten und Schalten von Flüssigkeiten unter Verwendung eines entsprechenden zentrifugo-pneumatischen Entlüftungs- Siphonventils, bei dem eine oder mehrere Flüssigkeiten in einem Flüssigkeits- Haltebereich (einer ersten Anzahl an Kammern) in einem durch Zentrifugaldrücke und pneumatische Drücke dominierten quasi-statischen Gleichgewicht zurückgehalten wird/werden, so dass eine nachfolgende Initiierung eines Transfers mindestens einer Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich in die nachfolgenden Fluidikstrukturen lediglich durch eine Veränderung der wirkenden zentrifugalen und/oder pneumatischen Drücke möglich ist. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird im Laufe des Transfers von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich in die nachfolgenden Fluidikstrukturen über mindestens einen Fluidpfad Gas aus den nachfolgenden Fluidikstrukturen in Richtung des Flüssigkeits-Haltebereichs transferiert. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird während des Transfers von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich in die nachfolgenden Fluidikstrukturen mindestens ein Fluidver- bindungspfad zwischen dem Flüssigkeits-Haltebereich und den nachfolgenden Fluidikstrukturen nicht vollständig mit Flüssigkeit befüllt. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird die Stoffmenge des Gases in den nachfolgenden Fluidikstrukturen nicht durch einen mit der Umgebung verbundenen Fluidpfad verändert, während Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich zurückgehalten wird. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich aufgrund eines pneumatischen Unterdrucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen vor der Initiierung des Transfers zurückgehalten. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich aufgrund eines pneumatischen Überdrucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen vor der Initiierung des Transfers zurückgehalten. Embodiments thus provide fluidic modules, devices and methods in which two fluid communication paths are provided between a chamber in which a liquid is retained prior to switching and a target structure for the liquid after the switching operation. This allows a largely liquid-property-independent monolithic realization of a structure for switching a liquid in the event of selectively exceeding or dropping below a high rotational frequency of the cartridge. Embodiments provide a centrifugal pneumatic venting siphon valve having fluidic structures on a centrifugal test carrier. The fluidic structures may include a first number of chambers, subsequent fluidic structures, and at least two fluid paths connecting the first number of chambers to the subsequent fluidic structures. At least one of the fluid paths between the first plurality of chambers and the subsequent fluidic structures includes a siphon channel, the connection being arranged via the fluid paths from the first plurality of chambers to the subsequent fluidic structures such that when the first plurality of chambers are filled with fluid a state can be produced in which in the subsequent fluidic structures, a gas volume trapped by the liquid is formed or a quasi-enclosed gas volume is produced, in which the following structures have a vent with a venting delay resistance. In embodiments of such fluidic structures, a siphon channel is provided in at least one of the fluid communication paths between the first plurality of chambers and the subsequent fluidic structures, the siphon apex being located radially within the radially outermost position of a first chamber into which the siphon channel terminates. In embodiments of such fluidic structures, the subsequent fluidic structures are not vented. In embodiments, the number of chambers may include one chamber or more than one chamber. Embodiments provide a method for retaining and switching liquids using a corresponding centrifugal pneumatic venting siphon valve, wherein one or more liquids in a liquid holding region (a first number of chambers) in a quasi-static manner dominated by centrifugal pressures and pneumatic pressures Balance is retained / so that a subsequent initiation of a transfer of at least one liquid from the liquid-holding region in the subsequent fluidic structures is possible only by changing the acting centrifugal and / or pneumatic pressures. In embodiments of such a method, in the course of the transfer of liquid from the liquid holding region into the subsequent fluidic structures, gas is transferred from the subsequent fluidic structures in the direction of the liquid holding region via at least one fluid path. In embodiments of such a method, during the transfer of liquid from the liquid-holding region into the subsequent fluidic structures, at least one fluid connection path between the liquid-holding region and the subsequent fluidic structures is not completely filled with liquid. In embodiments of such a method, the molar amount of gas in the subsequent fluidic structures is not changed by a fluid path associated with the environment while retaining liquid in the liquid holding area. In embodiments of such a method, liquid in the liquid holding region is retained in the subsequent fluidic structures due to a pneumatic negative pressure prior to the initiation of the transfer. In embodiments of such a method, liquid in the liquid holding area is retained due to a pneumatic overpressure in the subsequent fluidic structures prior to the initiation of the transfer.
Ausführungsbeispiele können beliebige Abwandlungen und Kombinationen der gezeigten schematischen Ausführungsbeispiele aufweisen und werden durch diese nicht beschränkt. Embodiments may include and are not limited to any modifications and combinations of the illustrated schematic embodiments.
Obwohl oben Merkmale der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines Verfahrens oder anhand einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar, dass die beschriebenen Vorrichtungsmerkmale auch jeweils Merkmale eines entsprechenden Verfahrens darstellen und die beschriebenen Verfahrensmerkmale auch jeweils Merkmale einer entsprechenden Vorrichtung darstellen, die konfiguriert sein kann, um eine entsprechende Funktionalität zu liefern.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen somit Verfahren und Vorrichtungen zum Schalten von Flüssigkeit unter Verwendung eines zentrifugo-pneumatischen Entlüftungs- Siphonventils, das Fluidikstrukturen aufweist, wie sie hierin beschrieben sind. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik können Ausführungsbeispiele der beschriebenen Struktur in Verbindung mit dem beschrieben Verfahren auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik mehrere Anforderungen an die Einheitsoperationen des Zurückhaltens und späteren gezielten Weiterschaltens einer Flüssigkeit gleichzeitig erfüllen. Ausführungsbeispiele ermöglichen eine monolithische Realisierung der zugehörigen Fluidikstrukturen in einer zentrifugal mikrofluidischen Kartusche. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit zur Ausgestaltung der Struktur, so dass das Funktionsprinzip weitgehend unabhängig gegenüber Flüssigkeits- und Kartuschenmaterial-Eigenschaften ist. Dies umfasst insbesondere den Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und Kartuschenmaterial, sowie die Viskosität und Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit von weitergehenden Anpassungen der Fluidikstrukturen, um die notwendigen Pro- zessierungsbedingungen für die Auslösung eines Schaltprozesses in weiten Bereichen zu bestimmen. Die Anpassungsmöglichkeiten können insbesondere die Möglichkeit zur freien Wahl des in die nachfolgenden Fluidikstrukturen transferierten Gasvolumens und dem dadurch erzielten pneumatische Überdruck betreffen. Although features of the embodiments of the invention have been described above by means of a method or apparatus, it is to be understood that the apparatus features described are each features of a corresponding method and the described features also represent features of a corresponding apparatus that may be configured to be one to deliver appropriate functionality. Embodiments of the invention thus provide methods and apparatus for switching fluid using a centrifugal pneumatic venting siphon valve having fluidic structures as described herein. In contrast to the prior art, embodiments of the described structure, in conjunction with the described method in the field of centrifugal microfluidics, can simultaneously meet several requirements for the unit operations of retention and later targeted switching of a liquid. Exemplary embodiments enable a monolithic realization of the associated fluidic structures in a centrifugally microfluidic cartridge. Embodiments offer the possibility of designing the structure, so that the functional principle is largely independent of liquid and cartridge material properties. This includes in particular the contact angle between the liquid and the cartridge material, as well as the viscosity and surface tension of the liquid. Embodiments offer the possibility of further adaptations of the fluidic structures in order to determine the necessary process conditions for triggering a switching process in a wide range. The adaptation possibilities can relate in particular to the possibility of freely selecting the gas volume transferred into the subsequent fluidic structures and the pneumatic overpressure achieved thereby.
Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit zur Initiierung des Schaltprozesses unter Verwendung verschiedener Veränderungen der Prozessierungsbedingungen. Dies umfasst insbesondere Rotationsfrequenzen, Temperaturen und Wartezeiten (bei Verwendung eines Entlüftungs-Verzögerungswiderstands) während der Prozessierung. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit, unter Rückgriff auf Temperaturänderungen abhängig von der Prozessführung eine Flüssigkeit bei Erhöhung über eine Schwellfrequenz o- der bei Verringerung der Rotationsfrequenz unter eine Schwellfrequenz zu schalten. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit zur Herstellung der mikrofluidischen Strukturen ohne scharfe Kanten, das heißt mit geringen Anforderungen an Fertigungsverfahren, wie z. B. Spritzguss und Spritzprägen. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen es, stark ansteigende pneumatische Drücke im fluidischen Zielvolumen während des Flüssigkeitstransfers nach dem Schaltvorgang zu vermeiden. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit einer Kaskadierung der Fluidikstrukturen. Schließlich bieten Ausführungsbeispiele die Möglichkeit zur Mehrfachverwendung der Fluidikstrukturen, um mehrere Flüssigkeiten nacheinander zurückzuhalten und gezielt zu schalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind konfiguriert, um das Verhältnis des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck zu ändern, um eine Schwelle zu überschreiten, bei der ein Siphonscheitel des Siphon-Kanals in dem ersten Fluidpfad überwunden wird, so dass ein Transferieren der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen stattfindet. Embodiments provide the opportunity to initiate the switching process using various changes in the processing conditions. This includes in particular rotational frequencies, temperatures and waiting times (when using a venting delay resistor) during processing. Embodiments offer the possibility, under recourse to temperature changes as a function of the process control, of switching a liquid above a threshold frequency or below a threshold frequency when the rotational frequency is reduced. Embodiments offer the possibility of producing the microfluidic structures without sharp edges, that is, with low demands on manufacturing processes, such. B. injection molding and injection-compression molding. Embodiments of the invention make it possible to avoid strongly increasing pneumatic pressures in the fluidic target volume during the fluid transfer after the switching operation. Embodiments offer the possibility of cascading the fluidic structures. Finally, embodiments provide the opportunity for multiple use of the fluidic structures to sequentially retain and selectively switch multiple fluids. Embodiments of the invention are configured to change the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure to exceed a threshold at which a siphon apex of the siphon channel in the first fluid path is overcome, such that transfer of the liquid from the liquid holding region takes place in the downstream fluidic structures.
Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben Varianten der Fluidikstrukturen und zugehörigen Verfahren, welche verschiedene Möglichkeiten zur Beeinflussung des Gleichgewichts der Drücke aufzeigen, die in Richtung oder entgegen der Initiierung des erfindungsgemäßen Schaltvorgangs wirken. Ausführungsbeispiele der Erfindung basieren weiterhin auf der Erkenntnis, dass das beschriebene Schaltprinzip leicht mit anderen Operationen auf derselben zentrifugalen mikrofluidischen Plattform kombiniert werden kann, beispielsweise indem eine Flüssigkeit nach vorhergehenden fluidischen Operationen in eine erfindungsgemäße Struktur geleitet wird oder indem die beschriebene Schaltstruktur kaskadiert wird.
Embodiments of the invention describe variants of the fluidic structures and associated methods, which show various possibilities for influencing the equilibrium of the pressures which act in the direction or contrary to the initiation of the switching process according to the invention. Embodiments of the invention are further based on the recognition that the described switching principle can easily be combined with other operations on the same centrifugal microfluidic platform, for example by passing a liquid after previous fluidic operations in a structure according to the invention or by cascading the described switching structure.